逸出功的测定实验
- 实验负责人:郑远
- 小组成员:张映辉、丁喜冬
历史版本
- 02月01日版本:初步编辑2a,3,4,5,6
- 02月12日版本:补充编辑1
- 02月18日版本:补充编辑1,2b,2c,2d;整体修订,初稿
- 02月29日版本:补充编辑6-5
修改中的版本
1、科学素养
- 逸出功研究的发展历史:
- 1654年,第一台真空泵由德国实验学家奥托·冯·盖里克(Otto von Guericke)发明,成就了举世闻名的“马德堡半球(Magdeburg hemispheres)”实验[1,2]。人们进入掌握真空技术时代。
- 1752年,以美国科学家本杰明·弗兰克林(Benjamin Franklin)放风筝吸引雷电为标志性事件,人们开展大量对电的研究,并逐渐掌握了电。
- 1800-1880s年间,基于对真空和电力技术的应用,白织灯被广泛研制。其中最著名的属美国发明家托马斯·埃尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)设计并商业化的碳化竹芯真空白织灯,平均寿命达800小时[3,4]。1880年2月,爱迪生为研究白织灯灯丝熔断原因而重新发现一重要现象,称为爱迪生效应,后来也称之热电发射效应[5]。
- 1897年,英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森(Joseph John Thomson)通过对阴极射线性质的探索首次提出电子的概念(当时称corpuscle,后称electron)[6],凭此工作他获得1906年诺贝尔物理学奖[7]。由此,人们知道热发射效应发射的是电子。
- 1901年,英国物理学家欧文·威兰·理查德森(Owen Willans Richardson)发表了热电发射电流与温度之间e指数关系的结果,随后提出了热电发射定律。他凭借在热电发射现象的工作获得1928年诺贝尔物理学奖[5,8,9]。研究结果的关系中,明确包含逸出功(功函数)项,将玻尔兹曼常数k与逸出功联系在一起。
- 1905年,瑞士物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)为光电效应提出数学描述,式中也明确包含逸出功(功函数)项,首次提出了光量子概念,并将普朗克常数h与逸出功联系在一起。他凭借此工作获得1921年诺贝尔物理学奖。
- 逸出功的应用:
- 当材料外层能带的电子获得能量超过逸出功,便会从材料发射(蒸发)而出。经研究,三种效应可给予电子足够能量引起发射,分别是热电发射效应、光电效应和场电子发射效应[5,10-15],实际发射的情况可以是任意组合[16,17]。
- 表现出的非线性电学性质,可用于制作电开关、放大、整流等元件。如真空管,也分为热电真空管、光电真空管,在20世纪上半叶发挥不可替代的重要作用,应用在无线电、电视、雷达、微波、长距电话网、声音刻录、模拟以及早期数字计算机[10,18]。
- 20世纪中叶,半导体工业兴起,场效应晶体管(Field-effect Transistor)开始大范围的取代真空管。计算机等电子设备的小型化与低能耗进入快车道[18,19-21]。异质结材料的逸出功是影响半导体性能的参数之一。
- 形成定向可控电子束。如阴极射线管,主要应用在电视显示器和示波器,一直影响到21世纪初[18]。仍在发挥重要作用的,如光电倍增管、场发射电子显微镜、电子束曝光、电子中和器、电子能谱仪等[10,18]。
[1] Hugh Chisholm, "Encyclopaedia Britannica: A Dictionary of Arts, Sciences, Literature and General Information (12th edition)", p670. [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Guericke [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermionic_emission [6] Thomson, J.J. (1897). "Cathode Rays". The Electrician. 39: 104. [7] https://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson [8] O. W. Richardson (1901) "On the negative radiation from hot platinum," Philosophical of the Cambridge Philosophical Society, 11 : 286-295. [9] Crowell, C. R. (1965). "The Richardson constant for thermionic emission in Schottky barrier diodes". Solid-State Electronics. 8 (4): 395–399. [10] https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect [12] Herring C, Nichols M H. Thermionic emission[J]. Reviews of Modern Physics, 1949, 21(2): 185. [13] Dushman S. Thermionic emission[J]. Reviews of Modern Physics, 1930, 2(4): 381. [14] Dyke W P, Trolan J K. Field emission: large current densities, space charge, and the vacuum arc[J]. Physical Review, 1953, 89(4): 799. [15] Fowler R H, Nordheim L. Electron emission in intense electric fields[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 1928, 119(781): 173-181. [16] Kiziroglou M E, Li X, Zhukov A A, et al. Thermionic field emission at electrodeposited Ni–Si Schottky barriers[J]. Solid-State Electronics, 2008, 52(7): 1032-1038. [17] Murphy E L, Good Jr R H. Thermionic emission, field emission, and the transition region[J]. Physical review, 1956, 102(6): 1464. [18] https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube [19] https://en.wikipedia.org/wiki/Field-effect_transistor [20] https://en.wikipedia.org/wiki/Zener_effect [21] Kahn A. Fermi level, work function and vacuum level[J]. Materials Horizons, 2016, 3(1): 7-10.
2、分层次实验教学内容
a)基础内容
采用直热式真空二极管
- 设定不同金属丝加热电流If,测量外加电场电势Ua对应的热电子电流Ia
- 查表确定标准二极管的加热电流If与温度T关系
- 根据肖特基效应[1],通过拟合计算0电势情况下热电子电流I0(U0 = 0)
- 根据理查德森-杜希曼关系[2,3],通过热电子电流I0和对应温度拟合得到金属材料逸出功
[1] Orloff J. Handbook of charged particle optics[M]. CRC press, 2008. [2] Dushman S. Electron emission from metals as a function of temperature[J]. Physical Review, 1923, 21(6): 623. [3] Richardson O W. Electron emission from metals as a function of temperature[J]. Physical Review, 1924, 23(2): 153.
说明:此节主要参考清华大学较早版本《金属逸出功的测定》实验资料
b)提升内容
热电子温度测量
- 常用测温方法有,Pt/Cu标准电阻,热敏电阻,热电偶,红外温度计等。
- 对极低温和极高温段,测量方法需特别注意,须与温度的定义一同考虑。
- 对本实验,常采用镀膜钨灯丝,温度极高,无接触,有玻璃罩,电阻法测温更适用。
- 因低温时钨丝电阻较小,采用四线法(开尔文式连接)测量,且底座连接电阻和温差热电势(Seeback Effect[1])不能忽略。
- 消除温差热电势常采用电流换向取电压均值的方法,在精密仪表中有标准的Delta模式[2]和交流法。
- 考虑材质的热容,需要一段时间才达到温度平衡态,然后测温。采用升温后降温的方式测量,观察温度滞后效应。
- 钨丝温度与电阻的关系,可参考经验公式[3];还可采用黑体辐射,斯特凡-玻尔兹曼定律[4-6],须考虑非理想黑体,增加修正系数。
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect [2] https://assets.testequity.com/te1/Documents/pdf/keithley/2182A.pdf [3] Langmuir I. The characteristics of tungsten filaments as functions of temperature[J]. Physical Review, 1916, 7(3): 302. [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Stefan–Boltzmann_law [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_body_radiation [6] http://www.physics.csbsju.edu/370/thermionic.pdf
c)进阶内容
费米狄拉克分布的测量 [1]
- 对于探测量子化电子态而言,光电效应采用逐个电子的方式,而热电发射效应则采用统计性方式[2]。热电发射效应为测量费米狄拉克分布提供了实验基础。
- 通过数学模型,将电子态密度和微分电导关联,两者成正比。
- 采用真空三极管,其中一极为栅极提供电压,对发射电子做能量扫描。
- 测量得到不同Ug(栅极)相应的阳极电流Ia,作出曲线。平滑插值处理。
- 数值计算Ia对Ug的导函数值,分别用玻尔兹曼分布和费米狄拉克分布拟合,并观察两者拟合程度的区别。
[1] Azooz A A. An experiment on thermionic emission: back to the good old triode[J]. European journal of physics, 2007, 28(4): 635. [2] http://www.physics.csbsju.edu/370/thermionic.pdf
d)高阶内容
- 搭建测量样品,仪表和计算机等设备的数据测量采集与通信系统
- 采用软件平台,如Labview,Matlab,Python等,编写完整的仪表输出、数据采集、计算机存储、情景判断、数据分析的协同控制软件系统。
- 自动化实验调试,并观察仪器、样品、数据的反馈。
- 数据批量分析、拟合、绘图等
3、能力培养
- 理解热电子发射过程
- 了解金属材料费米面概念
- 掌握测量电子逸出功的基本方法
- 锻炼数据线性回归分析
- 初步引入固体物理学、表面电子态相关知识
4、知识点
- 逸出功
- 电子能量量子化
- 泡利(Pauli)不相容原理
- 玻尔兹曼(Boltzmman)分布 与 费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布
- 黑体辐射 与 斯特凡-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmman)定律
- 理查德孙-杜希曼(Richarderson-Dushman)公式
- 肖特基(Schottky)效应
5、学科关联
- 真空管、PN结,相关半导体工业
- 表面与界面科学
- 光电子与反向光电子谱学
- 电子光学
6、延伸实验
- 光电效应实验、场电子发射实验
- 角分辨光电子能谱
- 扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜
- 反射式高能电子衍射、低能电子衍射
- 开尔文探针,或开尔文探针力显微镜(基于原子力显微镜的仪器)
讨论区
欢迎大家留言讨论! — 乐永康 2019/12/05 13:01