Аномальная эмиссия электронов при мягком рентгеновском облучении поверхности электретов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Павлов Андрей Николаевич

Pavlov Andrej Nikolaevich Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of civil engineering

Профессор/professor

Козаков Алексей Титович

Kozakov Aleksej Titovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий лабораторией/head of laboratory

Сахненко Владимир Павлович

Sakhnenko Vladimir Pavlovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий кафедрой/head of the Chair

Панченко Евгений Михайлович

Panchenko Evgenij Mikhajlovich Южный федеральный университет Southern Federal University заведующий отделом/head of the Department

E-Mail: and2562yandex.ru

Аномальная эмиссия электронов при мягком рентгеновском облучении поверхности электретов

Anomalous emission of electrons during the soft X-ray irradiation of the surface of the

electrets

Аннотация: Построена теоретическая модель аномальной эмиссии электронов при мягком рентгеновском облучении поверхности электретов, объясняющая разный характер корреляции между энергией и интенсивностью эмиссии электронов сегнетоэлектрической керамикой на основе твердого раствора ?ЪХЮ3 СаХЮ3 и несегнетоэлектрической керамикой СаХЮ3. Показано, что при облучении электрета за счет эмиссии электронов возникает обедненная неравновесными носителями заряда область Шоттки.

The Abstract: Theoretical model of anomalous electron emission has built for an soft x-ray irradiation of surface elektrets, explaining the different character of correlation between energy and emission intensity of ferroelectric solid solution PbTiO3 - CaTiO3 and nonferroelectric ceramics CaTiO3. Shown that due electret surface irradiation the Schottky area is depleted by nonequilibrium charge carriers.

Ключевые слова: Эмиссия, электрет, сегнетоэлектрик, область Шоттки

Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2012

Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Keywords: Emission, electret, ferroelectricity, Schottky area

***

При рентгеновском облучении с энергией кванта порядка 3 keV поверхности электретов был обнаружен эффект эмиссии электронов, на несколько порядков большей по сравнению с нейтральными объектами. Оказалось, что характер корреляции между энергией и плотностью потока эмиссионных электронов из сегнетоэлектрической керамики ПКР-70 [4] на основе твердого раствора О^ЬНОз - 0,2Са!Юз и из несегнетоэлектрической керамики Са!Юз разный (рис.1).

Рис. 1. Экспериментальные временные зависимости энергии эмиссионных электронов (1) и плотности тока эмиссии j (2) для несегнетоэлектрической керамики Са^Юз (а) и для сегнетоэлектрической керамики на основе твердого раствора 0,8PbTiОз ~-,2СаТЮз (б).

Рис. 2. Расчетные временные зависимости энергии эмиссионных электронов (1) и плотности тока эмиссии j (2) для несегнетоэлектрической керамики Са^Юз (а) и для сегнетоэлектрической керамики на основе твердого раствора 0,8РЬТЮз ~-,2СаТЮз (б).

Рассмотрим модель [5], в которой повышенная эмиссия связывается с наличием элек-третного заряда, нарушающего мезоскопическую электронейтральность вблизи поверхности. При этом различия в аномальной эмиссии между сегнетоэлектрической керамикой на основе твердого раствора PbTiОз - Са1Юз (СКТСК) и несегнетоэлектрической керамикой Са1Юз (НКТК) и обусловлены разной величиной подвижности электронов в этих материалах.

Образование электрета путем инжекции извне электронов на поверхность образца приводит к нарушению электронейтральности объекта исследования и появлению макроскопического поля с напряженностью Eel. Пусть электретный заряд обусловлен отрицательным зарядом на глубоких локализованных поверхностных состояниях акцепторного типа (рис.за, где Ef - уровень электрохимического потенциала, Es - энергия акцепторного состояния, Econ -энергия дна зоны проводимости, ЕШ1 - энергия потолка валентной зоны, Ф=Eo-EF - работа выхода электрона, Ео - энергия свободного электрона в вакууме. Ef -Es >>кТ). Свободные электроны из зоны проводимости испаряются и под действием поля электрета уносятся от объекта (эмиттера), что фиксируется в виде эмиссии электронов. При этом возникает обедненная электронами область Шоттки с объемным положительным зарядом, обусловленным дырками в валентной зоне (рис.Зб, где L - линейные размеры зазора между эмиттером и коллектором, d - линейные размеры объекта, 4 - толщина слоя объемного заряда). Точка Xd нахо-

Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов

права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)

дится на электроде, ограничивающем объект, являющийся эмиттером. Точка хь находится на электроде - коллекторе. Точки Хс1 эмиттера и хь коллектора имеют один и тот же потенциал.

Рис. 3. Схема распределения энергетических уровней в объекте (а). Схема эксперимента (б).

Рис. 4. Схема распределения энергетических уровней в объекте при рентгеновском облучении с учетом электретного заряда: в процессе формирования неравновесной области Шоттки (а), после формирования неравновесной области Шоттки (б).

Афешь - потенциал, равный разности потенциалов между поверхностью объекта, на которой находится электретный заряд, и коллектором. Электроны, пройдя от объекта к коллектору, получают в поле электретного заряда энергию Ж, описываемую выражениями (1), (2), где q - величина элементарного электрического заряда, £о - электрическая постоянная.

Ш = ЯАФе1кЬ

^-феШЬ = "2 (°

2Оп

О + °кЬ

°еС )

(1)

(2)

Здесь сге1 - плотность отрицательного электретного заряда; о - плотность положительного заряда коллектора; О - плотность положительного заряда на электроде объекта, являющегося эмиттером; О - плотность объемного положительного заряда области Шоттки, приведенная к поверхности с использованием выражения (3), в которомр - плотность дырок в валентной зоне.

О = ч\РСх

(3)

По условию электронейтральности всей системы выполняется соотношение (4).

°е1 °к °кЬ °еС

0

(4)

Учет соотношения (4), а также условия 1<<ё<<Ь обеспечивает выполнение равенства (5), где е - диэлектрическая проницаемость объекта.

Ш = д (о„-е„)

ЄЄп

(5)

При воздействии рентгеновского излучения создаются неравновесные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне объекта. Плотность электронов и дырок области

0

Шоттки в отсутствие вырождения описывается соотношениями (6)-(9), где Ерп, Ерр - квазиуровни Ферми [1] для электронов и дырок (рис.4), р- потенциал, Ыс, N - плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне.

Рассмотрим эмиссию, когда движение электронов из объема к поверхности можно описать в диффузионно-дрейфовом приближении [1]. При наличии отрицательного поверхностного заряда и полностью экранирующего его объемного положительного заряда плотности тока ]1 и ]2 по разные стороны границы раздела объект-вакуум одинаковы. Суммарная плотность тока] через границу раздела при этом равна нулю, что описывается выражениями (8),

Е(0) - напряженность электрического поля на границе вещества и вакуума.

пу - плотность электронов, способных преодолеть потенциальный барьер для выхода из вещества в вакуум, /I- подвижность электронов.

При (% < <ге1 между образцом и коллектором возникнет разность потенциалов Лре%ь, равенство токов нарушится, появится дополнительный ток, который идентифицируется в виде тока эмиссии. Плотность тока эмиссии]е1кь описывается выражениями (10), (11).

Здесь и - дрейфовая скорость электронов в области коллектора, т - масса электрона.

Отрицательный поверхностный заряд и экранирующий его объемный положительный заряд создают потенциальный барьер ЛФ для выхода электронов из объема вещества. Поскольку вблизи поверхности взаимное расположение Е0 и Есоп не изменится по отношению к объему образца, работа выхода из объема Ф увеличится на величину ЛФ, что определит выражения (12), (13) для пу.

Эмиссия электронов из вещества и тем самым разрастание области Шоттки продолжается до полной компенсации электретного заряда объемным зарядом области Шоттки. Увеличение области Шоттки осуществляется за счет примыкающей к ней области инжекции заряда, которой является слой вещества толщиной порядка длины свободного пробега 1п . Потенциальный барьер ЛФ (14) формируется как областью Шоттки, так и областью инжекции.

- Е + Е„ ар ---—-----— ехр—

(6)

(7)

(9).

] = Л - Л = 0 л = Л = л = аптЕ (0)

(8)

(9)

(10)

2Ж

т

(11)

(12)

Ф= Е0 - ЕРп

(13)

ЛФ=-р\ -чр (14)

Здесь цр = а [р(0) — р(х )] - вклад области Шоттки, ар = ц1 0____- вклад области

* * ' п 2ве0

инжекции, определяемый однородным полем некомпенсированного электретного заряда.

В ходе эмиссии величина О стремится к величине <Ге/, поэтому поток и энергия эмиссионных электронов уменьшаются, что приводит к исчезновению эмиссии при I* = I^ и

р* =рРр . Однако способность объекта к эмиссии восстанавливается при прекращении облучения, когда в отсутствие неравновесного заряда экранирующая электретный заряд область Шоттки уменьшается.

На рис. 2 отражены результаты модельных расчетов зависимости плотности тока эмиссии ] и энергии эмиссионных электронов Ж от времени I, полученные с использованием формул (5) и (10).

Численное моделирование процесса эмиссии произведено при <7е1 = 2 10 6 С ■ от2, 2 1

е = 10 , р0 = п0 = 5 -1017-, Т = 300К, Ь = 1 от, й = 10-1 от. В этом случае ое1 =ак, когда

от3 ’

предельная толщина области Шоттки 1р — 3 10—6от . В предположении зонного характера переноса неравновесных электронов в НКТК оценку величины 1п получим, используя соотноше-

2 2 ние 1п — 5 10-91 [1], где ц измеряется в от /(¥■*), а 1п - в от. При т~ 200 от [3] для НКТК по-

V ■ *

лучаем 1п ~10-6от . Поскольку для СКТСК с температурой Кюри Тс =597 К величина

2

1~10-1 [2], оценка величины 1п показывает, что в СКТСК перенос подвижных носителей

V ■ о

заряда имеет прыжковый, поляронный характер с 1п ~ а, где а - постоянная решетки ( а—5■ 10-3 от).

Характер зависимости потенциалов р* и р от Оь различен , что и обуславливает для НКТК при выполнении соотношения 1п — 1р немонотонную зависимость высоты барьера ЛФ и

величины ] от времени эмиссии (рис. 2а). Однако энергия электронов эмиссии со временем монотонно уменьшается (рис. 3 а), таким образом рассчитанные теоретически временные зависимости плотности тока эмиссии и энергии эмиссии для НКТК согласуются с экспериментом (рис. 1 а).

Для СКТСК вследствие малости в отличие от НКТК длины свободного пробега, роль области инжекции в формировании барьерного потенциала незначительна, поэтому рассчитанные величины] и Ж в полном согласии с экспериментом монотонно убывают со временем (рис. 2б).

Таким образом, основным результатом рентгеновского облучения электретов является восстановление мезоскопической электронейтральности за счет создания области Шоттки, что сопровождается эмиссией неравновесного заряда, возникшего при облучении. Энергия эмиссионных электронов определяется только величиной полного заряда, равного сумме электретного заряда и заряда области Шоттки, Однако на интенсивности эмиссии сказываются как величина полного заряда, так и величина потенциального барьера. Поэтому характер корреляции между энергией и плотностью тока эмиссии для сегнетоэлектрической керамики ПКР-70 на основе твердого раствора 0,8РЬТЮ3 - 0,2СаТЮ3 и несегнетоэлектрической кера-

мики СаТЮ3 оказывается разным, поскольку в сегнетоэлектрике существенная для формирования потенциального барьера подвижность неравновесных электронов меньше по сравнению с несегнетоэлектриком. Рост области Шоттки приводит к уменьшению эмиссии, поскольку уменьшается величина полного заряда. Образовавшаяся при эмиссии область Шоттки является неравновесной и исчезает при прекращении облучения, при этом способность электрета к эмиссии восстанавливается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г.. Физика полупроводников // М.: Наука,

1977.

672 с.

2. Бурсиан Э.В., Гиршберг Я.Г.. Когерентные эффекты в сегнетоэлектриках // М.:

МГПИ, 1989. 197 с.

3. Гуревич В. М.. Электропроводность сегнетоэлектриков // М.: Изд. Комитета

Стандартов, 1969. 384 с.

4. Данцигер Н.Л., Разумовская О.Н., Резниченко Л.А. Высокоэффективные керамические

материалы. (Справочник) // Ростов-на-Дону: АО “Книга”, 1994. 32 с.

5. Павлов А.Н., Козаков А.Т., Никольский А.В. Влияние поляризованности на

интенсивность аномальной электронной эмиссии в системе (1-х)РЬМ§1/3№2/3О3+хРЬТЮ3// ФТТ Т.51, №7, 2009.- Р.1310-1314