逸出功的测定实验

  1. 实验负责人：郑远
  2. 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：
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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]。
    4. 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。
    5. 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。
    6. 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：
    1. 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]。
    2. 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]。
    3. 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。
    4. 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

  1. 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
  2. 查表确定标准二极管的加热电流If与温度T关系
  3. 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）
  4. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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]

  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。
  2. 通过数学模型，将电子态密度和微分电导关联，两者成正比。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

  1. 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
  2. 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。
  3. 自动化实验调试，并观察仪器、样品、数据的反馈。
  4. 数据批量分析、拟合、绘图等

3、能力培养

  1. 理解热电子发射过程
  2. 了解金属材料费米面概念
  3. 掌握测量电子逸出功的基本方法
  4. 锻炼数据线性回归分析
  5. 初步引入固体物理学、表面电子态相关知识

4、知识点

  1. 逸出功
  2. 电子能量量子化
  3. 泡利（Pauli）不相容原理
  4. 玻尔兹曼（Boltzmman)分布 与 费米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布
  5. 黑体辐射 与 斯特凡-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmman）定律
  6. 理查德孙-杜希曼（Richarderson-Dushman）公式
  7. 肖特基（Schottky）效应

5、学科关联

  1. 真空管、PN结，相关半导体工业
  2. 表面与界面科学
  3. 光电子与反向光电子谱学
  4. 电子光学

6、延伸实验

  1. 光电效应实验、场电子发射实验
  2. 角分辨光电子能谱
  3. 扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜
  4. 反射式高能电子衍射、低能电子衍射
  5. 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
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  • 最后更改: 2020/02/29 21:00
  • 由 丁喜冬