Работа выхода
Рабо́та вы́хода — разность значений энергий уровня вакуума и уровня Ферми , то есть минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, обычно металла или полупроводника:
Работа выхода обычно указывается в электрон-вольтах, типичные величины лежат в диапазоне 3—5 эВ.
Возможные обозначения: и другие.
Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам, достаточным чтобы электрон прошёл весь двойной слой, но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла.
Определение и комментарий
[править | править код]Работа выхода находится как где энергия уровня вакуума берётся на небольшом расстоянии от места выхода электрона из образца, хотя и значительно большем, чем постоянная кристаллической решётки.
При удалении электрона от поверхности его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела, приводит к индуцированию поверхностных зарядов (в электростатике для расчёта взаимодействия применяется «метод изображения заряда»). Удаление электрона на бесконечность происходит в поле индуцированного поверхностного заряда на что требуется дополнительная работа, зависящая от диэлектрической проницаемости вещества, геометрии образца и свойств всех его поверхностей.
При нахождении величины удаление от конкретной грани полагается небольшим, и эта дополнительная работа не учитывается. оказывается разной для различных кристаллографических плоскостей поверхности вещества. В отличие от работа по перемещению электрона далее в бесконечность не зависит от того, через какую плоскость был удален электрон, ввиду потенциальности электростатического поля.
Работа выхода в фотоэффекте
[править | править код]Работа выхода во внешнем фотоэффекте — минимальная энергия фотонов, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света при
Работа выхода из различных металлов
[править | править код]Единицей измерения работы в СИ являются джоуль (Дж), но в физике твердого тела принято использовать электронвольт (эВ)[1]. Диапазоны изменения работы выхода для типичных кристаллографических плоскостей указаны в таблице[2]:
Элемент | эВ | Элемент | эВ | Элемент | эВ | Элемент | эВ | Элемент | эВ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ag: | 4,52 — 4,74 | Al: | 4,06 — 4,26 | As: | 3,75 | Au: | 5,1 — 5,47 | B: | ~4,45 |
Ba: | 2,52 — 2,7 | Be: | 4,98 | Bi: | 4,31 | C: | ~5 | Ca: | 2,87 |
Cd: | 4,08 | Ce: | 2,9 | Co: | 5 | Cr: | 4,5 | Cs: | 2,14 |
Cu: | 4,53 — 5,10 | Eu: | 2,5 | Fe: | 4,67 — 4,81 | Ga: | 4,32 | Gd: | 2,90 |
Hf: | 3,9 | Hg: | 4,475 | In: | 4,09 | Ir: | 5,00 — 5,67 | K: | 2,29 |
La: | 3,5 | Li: | 2,93 | Lu: | ~3,3 | Mg: | 3,66 | Mn: | 4,1 |
Mo: | 4,36 — 4,95 | Na: | 2,36 | Nb: | 3,95 — 4,87 | Nd: | 3,2 | Ni: | 5,04 — 5,35 |
Os: | 5,93 | Pb: | 4,25 | Pd: | 5,22 — 5,6 | Pt: | 5,12 — 5,93 | Rb: | 2,261 |
Re: | 4,72 | Rh: | 4,98 | Ru: | 4,71 | Sb: | 4,55 — 4,7 | Sc: | 3,5 |
Se: | 5,9 | Si: | 4,60 — 4,85 | Sm: | 2,7 | Sn: | 4,42 | Sr: | ~2,59 |
Ta: | 4,00 — 4,80 | Tb: | 3,00 | Te: | 4,95 | Th: | 3,4 | Ti: | 4,33 |
Tl: | ~3,84 | U: | 3,63 — 3,90 | V: | 4,3 | W: | 4,32 — 5,22 | Y: | 3,1 |
Yb: | 2,60[3] | Zn: | 3,63 — 4,9 | Zr: | 4,05 |
Работу выхода можно определить методом контактной разности потенциалов, основанном на сравнении работ выхода из металлов - эталонного и контролируемого[4].
Работа выхода для полупроводника
[править | править код]Для полупроводников работа выхода определяется точно так же, как и для металлов (и данные для некоторых собственных полупроводников включены в таблицу).
На практике полупроводник обычно легирован и величина зависит от типа и концентрации легирующих примесей. Уровень при сильном легировании донорами находится у края зоны проводимости , а при сильном легировании акцепторами — близко к краю валентной зоны (соответственно, вариации составляют около ширины запрещённой зоны
Более универсальной величиной, вместо для полупроводников является энергия сродства к электрону, равная Например, для кремния сродство составляет 4,05 эВ, а работа выхода примерно от 4,0 до 5,2 эВ (для собственного материала около 4,6 эВ).
Примечания
[править | править код]- ↑ Работа выхода может зависеть от грани монокристалла или от преобладающей грани на поверхности текстуры металла. К примеру, Ag: 4,26; Ag(100): 4,64; Ag(110): 4,52; Ag(111): 4,74.
- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th edition (2016—2017), раздел 12, стр 123.
- ↑ Nikolic, M. V.; Radic, S. M.; Minic, V.; Ristic, M. M. The dependence of the work function of rare earth metals on their electron structure (англ.) // Microelectronics Journal : journal. — 1996. — February (vol. 27, no. 1). — P. 93—96. — ISSN 0026-2692. — doi:10.1016/0026-2692(95)00097-6. (недоступная ссылка)
- ↑ Метод контактной разности потенциалов.
Литература
[править | править код]- Solid State Physics, by Ashcroft and Mermin. Thomson Learning, Inc, 1976
- Гончаренко В.И., Олешко В.С. Метод контактной разности потенциалов в оценке энергетического состояния поверхности металлических деталей авиационной техники: монография. - М.: Изд-во МАИ, 2019. - 160 с. - ISBN 978-5-4316-0631-1 http://elibrary.mai.ru/MegaPro/UserEntry?Action=Link_FindDoc&id=68387&idb=0
В другом языковом разделе есть более полная статья Work function (англ.). |