Самопроизвольные перестройки атомной структуры полупроводниковых интерфейсов с Сs – покрытиями

Полупроводниковые фотокатоды с эффективным отрицательным электронным сродством (ОЭС)являются наиболее совершенными эмиттерами электронов и широко используются в современныхфотоприёмниках и фотоэлектронных инжекторах, предназначенных для решения фундаментальныхнаучных и важных практических задач. Дальнейшее повышение технических характеристик ОЭС –фотокатодов сдерживается недостаточным пониманием физических закономерностей формированияатомной структуры ОЭС – интерфейсов с оптимальными Cs – покрытиями, обеспечивающимимаксимальную вероятность выхода фотоэлектронов в вакуум (Ре) и стабильность Ре во времени. Дляизучения этих закономерностей мы экспериментально исследовали спонтанные изменениявероятности выхода фотоэлектронов из p - GaN(Cs) – фотокатода в вакуум (Ре) и их энергетическихраспределений(ne(εlon)) во время прерываний Cs – потока в экстремально высоком вакууме (ЭВВ), вкотором адсорбция остаточных газов на ОЭС – интерфейсе была пренебрежимо мала [1]. Мывыбрали интерфейс p-GaN(Cs) - вакуум как модельный потому, что исходная атомарно – чистаяповерхность p-GaN – слоя не содержала избыточного галлия и азота. Эксперименты проводились вшироком интервале Cs – покрытий (Сs), как меньших, так и больших оптимального (opСs), прикотором Ре(Сs) достигала максимума и оставалась стабильной после прерывания Cs – потока.Обнаружено, что прерывания Cs – потока при Сs < opСs вызывали спонтанные уменьшения Ре(t), в товремя как прерывания Cs – потока при Сs > opСs вызывали её спонтанный рост. Для объясненияспонтанных изменений Ре(t) и ne(εlon,t) мы предложили термодинамическую модель, связывающуюнаблюдаемые изменения с самопроизвольными изменениями атомной структуры интерфейса,снижавшими его удельную свободную энергию и изменявшими его удельную энтропию [1]. Важнуюинформацию о влиянии атомной структуры поверхности полупроводника на фотоэмиссионныесвойства ОЭС - фотокатода мы получили из анализа формы зависимостей Ре(Сs), изученных дляповерхностей p-GaAs - слоёв с ориентацией [001] при различных концентрациях избыточногомышьяка (As). Величину As в экспериментах мы увеличивали путём снижения максимальнойтемпературы финишного прогрева p-GaAs - слоя. Было установлено, что Ре(Сs) возрастает сувеличением Сs для p-GaAs – слоёв с любой As и достигает максимума при оптимальном Cs –покрытии. Мы обнаружили, что величина opСs при этом снижалась с уменьшением As и достигаламинимума при формировании Ga – стабилизированной поверхности, для которой As ≈ 0.Наблюдаемые закономерности мы объяснили тем, что слабосвязанные As – атомы на поверхности pGaAs при As > 0 взаимодействуют с адсорбированными Cs – атомами с образованием кластероварсенида цезия. Формирование кластеров увеличивает удельную энтропию интерфейса p-GaAs(Cs) –вакуум, увеличивая тем самым вероятности рассеяния и рекомбинации фотоэлектронов наинтерфейсе и снижению Ре. Из экспериментов известно, что максимальная Ре для интерфейса pGaAs(Cs,О) – вакуум достигается при формировании (Cs,О) – покрытия на Ga – стабилизированнойповерхности p-GaAs, для которой As ≈ 0. С другой стороны, если температура и (или) длительностьпрогрева поверхности p-GaAs – слоя превышают оптимальные значения, то избыточное испарениемышьяка сопровождается появлением на Ga – стабилизированной поверхности полупроводникаподвижных Ga – атомов, постепенно объединяющихся в макроскопические Ga – капли.Наблюдаемые нами нестабильности Ре(t) на Ga – стабилизированных поверхностях p-GaAs мыобъяснили взаимодействием подвижных Cs- атомов с Ga – каплями с образованием различныхинтерметаллических соединений, увеличивающих вероятности рассеяния и рекомбинациифотоэлектронов во время их перехода из полупроводника в вакуум.