Работа выхода электрода

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ  НАРОДОВ

Факультет физико-математических и естественных наук

Кафедра физической и коллоидной химии

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Адсорбция»

на тему «Работа выхода электрода»

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. НХ-501

Касаткин Е. М.

 

 

 

 

 

 

Москва

2014 год

 

Содержание

1. Работа выхода электрона………………………………………………..…3
2. Термоэлектронная эмиссия………………………………………………..5
3. Фотоэлектрический метод, по Фаулеру……………………………..……5
4. Контактная разность потенциалов (КРП)…………………………….…..7
5. Автоэлектронная эмиссия……………………………………………….....8
6. Поляризация адсорбата на островковых пленках  металла………….…..8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа выхода электрона

Изменение работы выхода электрона при адсорбции связано с появлением заряда у адсорбированной частицы. В рамках модели свободных электронов под работой выхода понимают минимальную энергию, которую необходимо сообщить электрону металла или полупроводника в электронном газе при Т = 0 К, чтобы он покинул металл или полупроводник. С точки зрения зонной теории кристаллов металлы и полупроводники различаются по характеру заполнения их энергетических зон электронами. У металлов верхняя энергетическая зона заполнена электронами не полностью, выше некоторого значения энергии ЕF близко лежащие друг к другу уровни энергии свободны, а лежащие ниже - заполнены (рис.7,15а), в случае полупроводников существуют две зоны: нижняя полностью заполненная электронами - валентная зона - и отделенная от нее зона проводимости (рис.7,15 б). Уровень энергии ЕF находится по середине между ними  в запрещенной зоне. ЕF

W - энергетическая ширина зоны металла, работа выхода φ = W – ЕF представляет собой разность между потолком зоны и энергией уровня Ферми, в случае полупроводника это разность между потолком зоны проводимости и энергией ЕF. Если на поверхности полупроводника находится электронный заряд, то зоны искривляются вверх, как показано пунктиром на рис.7,15 б и работа выхода увеличивается на Δφ . Положение уровня Ферми слабо зависит от температуры, поэтому зависимость работы выхода электрона от температуры очень мала и ее в первом приближении можно не учитывать.

Рассмотрим изменение работы выхода в результате образования адсорбционных слоев на поверхности металла. При сближении атома адсорбата с поверхностью металла энергетические уровни его внешних электронов возбуждаются. Возможны три предельных случая электронных взаимодействий ( Рис.7,16 )

Рис. 7,16 Предельные случаи электронных взаимодействий при адсорбции( А - физическая адсорбция, Б -слабая ковалентная. хемосорбция, В сильная (ионная) хемосорбция; L1, L2, L3 - длины дипольных моментов.

В первом случае А происходит слабая поляризация частицы адсорбата, во втором Б - слабая хемосорбция, в третьем случае В - полная ионизация, при которой электрон частицы адсорбата переходит в металл. На рис. 7,17 а и б показана диаграмма   потенциальной   энергии      при   адсорбции   положительно заряженного атома (а) и отрицательно заряженного.

Рис. 7 ,17 Диаграмма потенциальной энергии при положительно а) и б)    отрицательно заряженном адсорбционном слое.

Из рис.7,17 видно, что положительно заряженный адсорбат снижает работу выхода электрона ΔФ< 0 , а отрицательно заряженный повышает ΔФ> 0.

Практическая ценность метода измерения работы выхода электрона состоит в том, что с его помощью можно определить характер поляризации адсорбата. Если считать, что на поверхности металла образуется двойной электрический слой, то в соответствии с формулой для плоского конденсатора формула для работы выхода имеет вид:

                         Ф = Ф0 ± 4πeσ1μ0θ                          (1)

Здесь σ1 - число адсорбированных частиц на 1 см2 поверхности, μ0 - дипольный момент, θ - степень покрытия поверхности адсорбатом. В этом выражении не учтено взаимодействие между адсорбированными частицами и поэтому оно справедливо для малых значений θ. С ростом степени заполнения изменение  работы выхода приобретает вид

Термоэлектронная эмиссия

В этом методе используют вакуумную трубку, в концы которой впаяны два электрода - катод и анод, на них подается разность потенциалов, а катод нагревается и испускает поток электронов, попадающих на анод. Измеряется плотность тока j в зависимости от температуры. Эта зависимость описывается формулой Ричардсона

Фотоэлектрический метод, по Фаулеру

Максимальная кинетическая энергия, которую приобретает электрон под действием кванта излучения hυ, падающего на поверхность металла, энергия которого превышает барьер W, равна, согласно Эйнштейну

где hυ0 - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из металла, следовательно, работа выхода электрона Ф - hυ0, а υ0 -«красная граница» фотоэффекта. Эту величину вычисляют с помощью функции Фаулера, которая отражает зависимость плотности фототока от частоты падающего излучения при постоянной температуре

                  Ln(Jф/T2) = В + Ln f [h(υ- υo)/kT]                    (3)

Для определения работы выхода при заданной температуре измеряют фототоки iф , поток излучения J и число фотонов излучения hυ/J при различных значениях частот, вычисляют плотность фототока Jф=, (iф|/J)hυ - количество выделяющихся электронов в секунду на 1 см2 , строят зависимость Ln(Jф/T2) от hυ/kT (кривая 1 на рис.7,18), в том же масштабе строят график Ln f(δ) от δ (кривая 2 на рис. 7,18). Далее совмещают обе кривые путем переноса осей, сдвиг по оси абсцисс дает hν0/kT.

 

 

 

 

 

 

Для различных частот υ при данной температуре Т измеряются фототоки i, по которым определяется отношение величины фототока к числу падающих фотонов поглощенного света hv/J; после вычисления jф = (iφ/J/)/hv вблизи порога строится зависимость величины In(ia/T2)  от hv/kT (сплошная кривая на фигуре). С использованием того же масштаба строится график зависимости Ф (δ) от б (пунктирная кривая). Эти две кривые совмещают путем простого переноса осей. Сдвиг вдоль оси ординат представляет  постоянную  В =lnαА.   Сдвиг  вдоль оси  абсцисс дает hv0/kT = еφ/kT

Контактная разность потенциалов (КРП)

Можно показать, что контактная разность потенциалов двух металлов или металла и полупроводника – V12 , находящихся в электрическом   контакте,  определяется  разностью  значений   работы выхода

V12 = Ф1 – Ф2        (4)

Если электрод сравнения со значением Ф2 сохраняет свое состояние, то изучаемый образец при адсорбции на его поверхности изменяет величину Ф1, что вызывает изменение потенциала V12. Рост КРП означает, что поверхность адсорбента заряжается отрицательно, а уменьшение - положительно. Один из таких методов показан на рис. 7,19. Отсчетный металлический электрод Э - вибрирующая обкладка конденсатора, п/п- вторая обкладка конденсатора - изучаемый полупроводник, К- катушка электромагнита, создающего вибрацию электрода Э, R -сопротивление, на котором создается переменная разность потенциалов, которая усиливается усилителем У и передается на осциллограф О, контактная разность потенциалов может быть компенсирована батареей Б, она отсчитывается по вольтметру V, при этом осциллограф используется в качестве нуль - инструмента.

Pис. 7,19    Схема   измерения   КРП.

Автоэлектронная эмиссия

Если приложить сильное электрическое поле к поверхности металла -107 в/см, то можно изменить потенциальный барьер у поверхности металла так, что при этом станет возможным туннельный переход электронов через него и возникнет эмиссия электронов. Этот эффект регистрируется в сверхвысоком вакууме, причем в качестве катода используется тонкий стержень из исследуемого тугоплавкого, металла. На рис. 7,20 показана схема автоэлектронного микроскопа (по Мюллеру). Стеклянная сфера включает впаянный анод, флоуресцирующий экран, стержень - катод, соединенный с нагревателем.

Рис. 7.20 Схема автоэмиссионного микроскопа. 1 -катод.2 — анод,3- экран,4-   нагреватель, 5   —   соединение   со   сверхвысоковакуумной откачкой.

 

Плотность тока эмиссии J описывается уравнением Фаулера –Нордгейма.

                    J = A/E2 ехр(-ВФ3/2/Е)          (7.10)

где Е - напряжение между катодом и анодом. В линейных координатах этого уравнения Ln(J/E2 ) - 1/Е  по известным из опыта  значениям E и J  можно найти величину работы выхода Ф. На флоуресцирующем экране моно наблюдать отражения от различных граней кристалла.

Поляризация адсорбата на островковых пленках  металла

Измерение температурной зависимости сопротивления г островковых пленок металла, состоящих из частиц металла размером 0.5 - 20 нм и не контактирующих друг с другом, позволяет определить величину φ - энергию активации электропроводности пленки, используя известное уравнение

Величина φ линейно связана с работой выхода электрона Ф :

где ω - сродство электрона к диэлектрической подложке, на которую напылена пленка. φim - потенциал электрического изображения. Величина ω не зависит от адсорбции на диэлектрической поверхности подложки, поскольку перенос электронов между частицами металла происходит через объем диэлектрика. Следовательно, знаки изменения величии Фиφ при адсорбции должны совпадать. Это означает, что знак Δφ при адсорбции дает ту же информацию о заряжении частиц адсорбата, что и знак ΔФ. На рис. 7,21 показана ячейка, с помощью которой одновременно на одном и том же образце пленки измеряли методом Фаулера влияние адсорбции на работу выхода электрона и на величину φ кондуктометрическим методом. Путем накаливания током проволоки изучаемого металла 5 в вакууме на стенки колбы 4 напыляли пленку, с помощью вплавленных в стенки платиновых электродов 2 измеряли сопротивление пленки при нескольких температурах от 20 до 35 С. Величину Ф определяли по методу Фаулера. 1 - кварцевое окно для пропускания излучения от спектрофотометра. 3 - Анод из молибденового стержня, катодом при измерении Ф служила пленка.

Рис7.21   Ячейка   для   одновременного   измерения   работы   выхода   и   энергии активации электропроводности.