Работа выхода

Работа выхода (англ. special effect, сокр. Work function) — минимальная энергия (обычно измеряемая в электрон-вольтах), которую необходимо затратить для «непосредственного» удаления электрона из объема твёрдого тела.

Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твердого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошел весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных кристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной.

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в т.ч. и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, т.е. от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твердого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

Работа выхода из металлов

Рис.1,Зависимость работы j выхода от поверхности концетрации n электроположительных атомов.

‎Работа выхода (РВ ) из металлов наиболее полно изучена, т.к. металл — один из лучших проводников. РВ зависит от кристаллографической структуры поверхности. Чем более плотно «упакована» грань кристалла, тем выше РВ — j . Так, для чистого вольфрама j = 4,3 эв для граней {116} и 5,35 эв для граней {110}. Для металлов возрастание (усреднённых по граням) j приблизительно соответствует возрастанию потенциала ионизации. Наименьшая РВ (2 эв) свойственна щелочным металлам (Cs, Rb, К), а наибольшие (5,5 эв) - металлам группы Pt. Т.к. РВ чувствительна к дефектам структуры поверхности, J (величина РВ ) на плотноупакованной грани с собственно гранями неупорядоченно расположенных атомов уменьшается. Ещё более резко j зависит от поверхностных примесей: электроотрицательные примеси (кислород, галогены, металлы с j , большей, чем j подложки) обычно повышают j , а электроположительные - понижают. Для большинства электроположительных примесей (Cs на W, Tn на W, Ba на W) наблюдается снижение РВ , которая достигает при некоторой оптимальной концентрации примесей $n_{opt}$ минимального значения, более низкого, чем j основного металла. При n >> 2$n_{opt}$, РВ становится близкой к j металла покрытия и далее не изменяется (см. рис.1).

Величине $n_{opt}$, соответствует упорядоченный, согласованный со структурой подложки слой атомов примеси, как правило, с заполнением всех вакантных мест; а величине 2$n_{opt}$ соответствует плотный моноатомный слой (согласование со структурой подложки нарушено). Т. о., работа выхода (электропроводность) в лучшем случае для материалов из металла определяется свойствами их поверхности.

Электронная теория металлов рассматривает РВ как работу, необходимую для удаления электрона с Ферми уровня в вакуум. Современная теория не позволяет пока точно вычислить j для создаваемых структур и поверхностей. Основные сведения о значениях j получают экспериментально. Для определения j используются эмиссионные или контактные явления (см. Контактная разность потенциалов).

Литература

• Solid State Physics, by Ashcroft and Mermin. Thomson Learning, Inc, 1976