СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Ag-O-Cs ФОТОКАТОДА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОННЫХ ПОЛЯРИТОНОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.383;535.375

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Аё - О - Се ФОТОКАТОДА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОННЫХ ПОЛЯРИТОНОВ

Ю. Н. Поливанов, В. В. Чуянов

Проведено измерение спектральной чувствит< льиости фотокатода, представляющего собой тонкую пленку серебра, одна из поверхностей которой активирована слоем оксида цезия. Для увеличения эффективности фотокатода реализована схема, в которой падающий свет резонансно возбуждает поверхностные плазмонные поля-ритоны, локализованные вблизи активированной поверхности серебра. Измерения показали, что чувствительность такого фотокатода в диапазоне 0.63 — 1,15 мкм примерно на порядок превышает. чувствительность промышленных кислородпо-цезиевых фотокатодов .5-1

Важной задачей при создании фотоприемников является увеличение квантовой эффективности и расширение области спектральной чувствительности фотокатодов, в частности, в инфракрасный (ИК) диапазон. Один из возможных способов улучшения указанных параметров фотоприемников основан на преобразовании падающего света в фототок при возбуждении поверхностных плазмонных поляритонов (ПП) [1, 2]. Ис пользованию ПП в фотоприемниках с внутренним фотоэффектом посвящен обзор [3]. Увеличение квантовой эффективности и возможное расширение диапазона спек раль-ной чувствительности в схеме с возбуждением ПП обусловлены, в частности, эффектом усиления поля ПП вблизи границы раздела (амплитуда поля ПГ1 может значительно превышать амплитуду падающей волны) [4], а также возрастанием вклада поверх нос 1 ного фотоэффекта вблизи пороговой энергии фотоэмиссии [5, 6].

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию спектральной зависимости фотоотклика (внешнего фотоэффекта) структуры призма пленка серебра

слой оксида цезия - вакуум при возбуждении ГШ падающим светом (по схеме Крейтчма-иа [7, 8]) на границе раздела серебро - оксид цезия - вакуум. Проводится сопоставление свойств данной структуры со свойствами выпускаемого промышленностью серебряно кислородно-цезиевого фотокатода (обозначаемого в зарубежной литературе как Б-!).

Рис. 1. Структура фотокатода и схема возбуждения ПЛ. 1 - стеклянная колба, откачанная до Ю-5 mopp; 2 - пленка серебра толщиной 400 ± 10 А; 3 - слой оксида цезия; 4 катод: 5 - анод; 6 - иммерсионный слой; 7 - стеклянная 90° призма; 8 - р-поляризованное лазерное излучение, падающее на структуру под углом в, 9 - фотоприемник; 10 - измеритель тона: 11 - двухперьевой самописец.

Исследование проводилось на образце, структура которого показана на рис. L. Обр;* зец представлял собой откачанную до давления Ю-5 mopp стеклянную цилиндрическую колбу (1) с плоскими окнами на торцах. На внутреннюю поверхность одного из окон с по мощью вакуумного распыления была нанесена пленка серебра (2) толщиной 400 ± 10 А. которая активировалась слоем оксида цезия (3) толщиной около 70 А для понижения работы выхода электронов из серебра. Слой оксида цезия создавался путем напыления цезия на серебро с последующим окислением с помощью тлеющего разряда в атмосфере

кислорода. В колбу были впаяны электроды (катод (4) и анод (5)), позволяющие измерять фото ток при фотоэмиссии электронов из серебра, активированного оксидом цезия, в вакуум.

ПП возбуждались на активированной оксидом цезия поверхности серебра методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) по схеме Крейтчмана [7. 4 . Для этого к окну колбы гипотенузной гранью прижималась 90° стеклянная призма (7) через иммерсию (6). Лазерный луч (8), поляризованный в плоскости падения (р-поляризация), падал на пленку со стороны призмы под углом в. Для контроля за возбуждением ПП снималась зависимость интенсивности отраженного сигнала, регистрируемого < помощью фотоприемника (9), от угла падения в (угловые спектры НПВО). Одновременно с отражением регистрировался фототок и оба сигнала записывались с помощью двухпе-рьевого самописца, движение ленты которого было синхронизовано с изменением угла падения в.

На рис. 2 в качестве примера приведены экспериментальные зависимости фотото ка / и коэффициента отражения R от угла падения в р-поляризованного излучения гелий неонового лазера с длиной волны 632,8 им, полученные с использованием структуры, показанной на рис. 1. Резкое уменьшение коэффициента отражения структуры и острый пик фототока при угле падения 0 = 45,2° соответствуют резонансному воз буждению ПП. Это происходит при условии равенства тангенциальной составляющей волнового вектора падающего со стороны призмы излучения кх — (27т/A)п) sin в (здесь А - длина волны падающего излучения, п\ - показатель преломления призмы на длине волны А) и действительной части Reksp волнового вектора ПП, локализованных вблизи активированной поверхности серебра.

Действительно, коэффициент отражения изучаемой нами четырехслойной структуры определяется соотношением [9]

Гц — (су^ч'г / "Ь (-] kjz )

френелевский коэффициент отражения (г, ^ = 1,2,3,4) на границе раздела между средами г и ] (индексы 1,2,3 и 4 обозначают соответственно стекло, серебро, оксид

R(0) = |г1234|2 =

Г12 + Г234 ехр[2ik2zd\ 2 1 + *W234 ехр[2ik2zd\

(1)

'Здесь

Краткие сообщении по физике ФИЛИ

номер ■] (i. 19Об «■

цезия и вакуум), e¿ в общем случае комплексная частотно-зависящая д и эле ктр нческая проницаемость среды j, d - толщина серебряной пленки,

kiz = [{из/с)2ti - k2x]1/2

представляет собой нормальную составляющую волнового вектора падающего излуче-«

ния частоты ш в среде г, a kx - тангенциальную составляющую,

г _ Г23 + Г34 ехр[2?1-3г<5] ^

1 + г2зг-м ехр[2ik3z6]'

где 6 толщина слоя оксида цезия.

Минимум отражения R{0) реализуется при стремлении к нулю знаменателя в вы ражении (1). Вблизи минимума отражения выражение (1) может быть сведено к достаточно простом}' виду, если воспользоваться реализуемым в нашем эксперименте п риближением

|ехр(2г^г<0| < 1, |fc3z¿| < 1.

В этом случае

fítQ\ _ i 4[Imfc0 + lmks]lmkfí 1 ' [kx — ReA;4.p]2 -f- [Im¿sp]2'

Здесь

kSp = ko + k.R + kg,

(4)

где

ko — —

с

£2^4

1/2

Le2 +

описывает дисперсию ГШ на границе металл-вакуум,

(5)

кп = —

и: 2

с е2 + б4

6462

ie2 + e4J

3/2 f 4тг id

ri2|fc=% exp

б2

А [е2 + с4 ]»/2

- изменение дисперсии IIГ1 из-за влияния призмы, а

и)

kg = г —

62É4

■ t2 + 64

1 [б3 - е4][б3 - б2] 2тг£

[е2б4]1/2 е3[б4 - е2]

влияние слоя оксида цезия на дисперсию ПП.

(б)

Из выражения (3) видно, что "провал" в отражении происходит при кТ (uj/c)nismO ' Reksp, т.е. при равенстве тангенциальной составляющей волнового век тора падающего со стороны призмы света и действительной части волнового вектора 1111 (4) на активированной поверхности серебра. "Провал" имеет форму, близкую к ло-ренцевской, а его ширина определяется мнимой частью ImA:Sp волнового вектора ПП. Из (3) и (4) следует также, что глубина "провала" при резонансном значении угла 0r,s. отвечающего минимуму отражения, равна

i _ p(f) \ _ 4[1тАгр + lmks}lmkR [res) ~ [ImJfcto + lmkR + ImJfcí]»'

О тсюда видно, что 100% преобразование падающей волны в ПП (нулевое отражение. K{0res) = 0) может быть реализовано при lmkR = Imfco + Im&s, т.е. при равенстве радиационных потерь (за счет обратного преобразования ПП в свет через призму), определяемых величиной ImkR, и джоулевых потерь, определяемых поглощением Г1Н в пленке серебра и слое оксида цезия, Im¿o + ImA^. Согласно (4) (7) это условие может быть выполнено путем соответствующего выбора оптимальных толщин пленки серебра и слоя оксида цезия и было реализовано в наших экспериментах. Действительно, из спектра НПВО, приведенного на рис. 2 (кривая R), видно, что отражение в минимуме падает практически до нуля, что соответствует полному преобразованию падающей волны в ПП.

Заметим, что толщины пленки серебра и слоя оксида цезия контролировались нами в процессе их напыления. Результаты исследования свойств результирующей струк i уры, которые необходимы для осуществления контроля толщин, а также вопросы, касающи еся реализации условий полного преобразования падающего излучения в ПП. изложены в работе [9].

При проведении измерений спектральной чувствительности полученного фотокатода (рис. 1) мы использовали излучение непрерывных титан-сапфирового лазера с перестраиваемой длиной волны в диапазоне 0,71 - 0,98 мкм, гелий-неоново го лазера с длинами воли 0,63 мкм и 1,15 мкм, а также лазера на иттрий-алюминиевом г ранате с неодимом с длиной волны 1,064 мкм. Поскольку условие резонансного возбуждения ПП (0тея) зависит от длины волны падающего излучения, что обусловлено главным образом дисперсией ПП, на каждой заданной длине волны осуществлялась подс трой ка угла 0 на максимум фототока. При этом условии проводились измерения мощное i падающего излучения и величины фототока. Далее изменялась длина волны изл\ к-ния и процедура повторялась. Результаты измерений приведены на рис. 3 (кривая SP)

Ошибка измерений составляла примерно 25%. Для сравнения на этом же рисунке приведена спектральная чувствительность промышленного серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода (кривая 8-1).

К, 1, отн. ед. мА/Вт

Рис. 2. Угловые зависимости фототека I и коэффициента отражения Л, полученные при длине волны падающего излучения А = 632,8?«ле с использованием схемы, показанной на рш 1.

Рис. 3. Кривые спектральной чувствительности промышленного серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода (Б-1) и исследованного в данной работе фотокатода с возбуждением ПП (БР). Точки - результаты измерений.

Из рис. 3 видно, что чувствительность фотокатода с возбуждением ПП примерно на порядок превышает чувствительность фотокатода 8-1 в спектральном диапазоне 0.63 1,15 мкм. Интересно отметить также, что максимум спектральной чувствительности фотокатода с возбуждением ПП (расположенный вблизи 0,95 мкм.) значительно сдвинут в длинноволновую область относительно максимума фотокатода 8-1, который расположен вблизи длины волны 0,75 мкм. Этот сдвиг является, по-видимому, следствием проявления особенностей в спектральной зависимости вклада поверхностного фотоэффекта по отношению к объемному при возбуждении ПП. Действительно, в [5. 6] показано, что при возбуждении ПП роль поверхностного фотоэффекта возрастает по мере приближения энергии кванта падающего излучения (со стороны высоких энергий) к порогу фотоэмиссии и вблизи пороговой энергии его вклад может на порядок превышать объемный фотоэффект.

В заключение следует отметить, что в изученной структуре фотокатода серебря ная пленка является одивременно носителем ПП и эмиттером фотоэлектронов. Однако на пленку можно наносить фотокатод, сформированный независимо от пленки, и тогда металл будет выполнять только функцию носителя ПП. В этом случае можно использовать различные фотокатоды и особенно привлекательными являются, по-видимому, фотокатоды с малым поглощением. В качестве носителя Г1П наиболее предпочтительными являются благородные металлы, обладающие большой величиной отношения дей< гви-тельной части диэлектрической проницаемости к мнимой, которая фактически определяет эффект усиления поля вблизи границы раздела, обусловленный резонансным возбуждением ПП.

ЛИТЕРАТУРА

[1] E n d r i z J. G. Appl. Phys. Lett., 25, 261 (1974).

[2] Hincelin G., Septier A. Proc. 7th Intern. Congr. & 3rd Intern. Conf. Solid Surface, eds. R. Dobrozemsky F. Rundenaur, F. P. Viehbock, A. Breit (F. Berger and Sohne, Viena, 1977), p. 1269.

[3] Беляков Л. В., Оресели О. M. ФТП, 25, 1281 (1991).

[4] Weber W. H., F о г d G. W. Opt. Lett., 6, 122 (1981).

[5] E n d r i z J. G. Phys. Rev., В 7, 3464 (1973).

[6] H i n с e 1 i n G. Phys. Rev., В 24, 787 (1981).

[7] К r e t s с h m a n n E. Z. Phys., 241, 313 (1971).

[8] Д m и T p y к П. Л., Л и т о в ч е н к о В. Г., С т р и ж е в с к и й В. Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. Киев. Наукова думка, 1989.

[9] Поливанов 10. Н, С а я х о в Р. Ш., Ч у я н о в В. В. Труды ИОФАН, 43, 104 (1993).

Институт общей физики РАН

Поступила в редакцию 22 марта 1996 г.