Efekt Fotoelektryczny i jego zastosowania

1. Efekt Fotoelektryczny i jego zastosowania Tomasz Zyśko IS gr. I WFiIS

2. Plan • Wstęp • Doświadczenia fotoelektryczne • Równanie Einsteina • Rodzaje zjawiska • Przykłady zastosowań • Podsumowanie

3. Zjawisko Fotoelektryczne • Mianem zjawiska fotoelektrycznego określa się pewne efekty elektryczne występujące w ciałach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (światła, promieniowania ultrafioletowego, promieniowania rentgenowskiego) • A. Einstein użył tego zjawiska jako poparcie swojej koncepcji światła jako kwantów energii

4. Przypomnienie… • Fotony – kwanty energii promieniowania elektromagnetycznego • Energia pojedynczego fotonu: h - stała Plancka - częstotliwość promieniowania - długość fali => energia promieniowania jest wysyłana porcjami

5. Doświadczenie 1: Wiązka światła pada na elektrodę T, uwalniając z niej elektrony, które następnie są zbierane przez elektrodę K. Prąd, który w ten sposób zostanie wytworzony w obwodzie mierzony jest galwanometrem A. Baterie i opornik suwakowy służą do wytworzenia i zmiany różnicy potencjałów między elektrodą T a kolektorem K

6. Pierwsze doświadczenie fotoelektryczne Ustalamy różnicę potencjałów V tak aby kolektor K miał odrobinę mniejszy potencjał niż tarcza T. Taka różnica potencjałów będzie spowalniać wybite elektrony. Następnie stopniowo zmniejszamy napięcie V aż do momentu gdy prąd fotoelektryczny przestanie płynąć. Napięcie odpowiadające tej sytuacji nazywamy potencjałem hamującym V0. Przy takim napięciu elektrony o największej energii zostają zawrócone tuż przed kolektorem. Ich energia kinetyczna jest równa: e - ładunek elementarny • Pomiary te pokazują, że dla światła o danej częstości max. energia kinetyczna elektronów nie zależy od natężenia światła.

7. Wnioski: Dla danej częstości światła zarówno wiązka intensywnego światła jak i słabiutki promyk dostarczają wybijanym elektronom dokładnie tyle samo energii !!!

8. Zależność płynącego prądu I od przyłożonego napięcia dla różnych wartości natężenia J promieniowania Zwiększając natężenie światła zwiększamy liczbęfotonów w wiązce, dlatego wybijanych jest więcej elektronów - wzrasta natężenie prądu.

9. Zależność płynącego prądu I od przyłożonego napięcia dla różnych wartości częstości n promieniowania

10. Doświadczenie 2 Na rysunku widać zależność V0 od częstości n światła padającego na elektrodę wykonaną z sodu. Jeśli częstość jest niższa od pewnej częstości progowej to zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi. Jest tak niezależnie od tego, jak intensywne światło pada na tarczę.

11. Praca wyjścia • Elektrony utrzymywane są wewnątrz tarczy siłami elektrycznymi. • Do ich uwolnienia potrzebna jest pewna minimalna energia W która zostaje zużyta na przejście elektronu przez powierzchnię metalu. • Energia ta jest charakterystyczna dla każdego materiału i jest nazywana pracą wyjścia dla tego materiału.

12. Jeżeli energia dostarczona elektronowi przez foton (hn) jest większa od pracy wyjścia to elektron zostanie uwolniony z tarczy. • Foton przekazuje elektronowi metalu swą energię tylko w całości

13. Równanie Einsteina • Einstein podsumował wyniki tych dwóch doświadczeń w równaniu: • Wyraża ono zasadę zachowania energii w przypadku pochłonięcia pojedynczego fotonu przez elektrodę o pracy wyjścia W. • Wybity elektron będzie posiadał energię kinetyczną Ek równą hn – W.

14. Równanie Einsteina c.d. • Po podstawieniu do tego równania wartości: • po krótkich przekształceniach otrzymamy: • Stosunki h/e oraz W/e są stałymi więc wykres zależności potencjału hamującego V0 od częstości n jest linią prostą.

15. Rodzaje zjawiska fotoelektrycznego • Zasadniczo istnieją trzy rodzaje zjawiska fotoelektrycznego: • zewnętrzne • wewnętrzne • zaworowe

16. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne • Jest to emisja elektronów z powierzchni ciał stałych lub cieczy do otaczającej je przestrzeni pod wpływem ich oświetlania. • Inaczej nazywane jest fotoemisją. • W przypadku gazów przyjęto je nazywać fotojonizacją.

17. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne • Jest to wzrost przewodnictwa elektrycznego pod wpływem oświetlenia. Obserwuje się je w półprzewodnikach oraz dielektrykach. • Inaczej nazywane jest fotoprzewodnictwem

18. Zjawisko fotoelektryczne zaworowe • Polega na powstawaniu siły elektromotorycznej na złączu półprzewodnika i metalu lub dwu półprzewodników różnych typów podczas absorpcji przez złącze kwantów promieniowania elektromagnetycznego (z zakresu widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni). • Inaczej nazywane jest zjawiskiem fotowoltaicznym.

19. Zastosowania • Analiza składu chemicznego ciała stałego • Badania struktury elektronowej • Matryca CCD • Fotoelementy: • Fotodioda • Fotorezystor • Fototranzystor

20. Spektroskopia elektronowa dla celów analizy chemicznej (ESCA) • Umożliwia określenie składu chemicznego powierzchni ciała stałego. • Poza danymi o składzie chemicznym warstw powierzchniowych, można uzyskać również informacje o otoczeniu chemicznym i stanie utleniania danego pierwiastka. • Badania metodą ESCA odnoszą się do najbardziej zewnętrznych warstw próbki.

21. ESCA c.d. • Wiązka promieni X o znanej energii kwantów pada na próbkę. W wyniku zjawiska fotoelektrycznego zostają wybite elektrony. Energia kwantu hn zostaje zużyta na energię wiązania Eb oraz energię kinetyczną fotoelekrotnu Ek

22. ESCA c.d. • Znając energię hn oraz mierząc Ek można wyznaczyć energię wiązania Eb. • W przypadku próbek metalicznych Ek będzie pomniejszona o pracę wyjścia W. • Ponieważ budowa atomu każdego pierwiastka jest niepowtarzalna, więc pomiar energii wiązania wystarczy do identyfikacji pierwiastka występującego w próbce.

23. Metody badań struktury elektronowej • Spektroskopia fotoelektronów w paśmie nadfioletu (UPS – Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) • Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy) • Obie te metody traktujemy jako odrębne choć ich idea fizyczna jest wspólna. Co więcej obie sprowadzają się do wspomnianej przed chwilą metody ESCA. • Główną różnicą w tych dwóch metodach jest energia stosowanych fotonów; UPS 5-10 eV oraz XPS ok 1keV

24. Zastosowanie UPS i XPS • Badanie widma energii elektronów, które pozwalają wyznaczyć rozkład zajętych stanów elektronowych w badanym materiale jako funkcję energii tych elektronów • Badanie struktury walencyjnej (wyznaczanie tzw. rozkładów gęstości stanów elektronowych – DOS) dla ciał stałych i gazów Od DOS zależy większość własności fizycznych i chemicznych materiałów, dlatego są to podstawowe metody do badania materiałów

25. Spektrometr fotoelektronów SPECS LHS 10+: • a) widok z kierunku równoległego do osi głównej spektrometru, b) widok z kierunku prostopadłego do osi głównej spektrometru. Główne części spektrometru: 1) lampa rentgenowska, 2) komora analityczna, 3) komora przygotowawcza, 4) wnętrze komory przygotowawczej z diamentowym pilnikiem do czyszczenia powierzchni, 5) pompa turbomolekularna,6) pompa rotacyjna, 7) monochromator promieniowania X, 8) elektrostatyczny analizator hemisferyczny z systemem soczewek.

26. SCHEMAT EKSPERYMENTU FOTOEMISYJNEGO Epr - poziom próżni; EF - energia Fermiego; En - poziom rdzenia (powłoka elektronowa); En-1 - kolejna powłoka; W - praca wyjścia; EW - energia wiązania

27. Wynik: Rezultatem eksperymentu fotoemisyjnego jest wyznaczenie liczby zliczeń fotoelektronów w funkcji energii wiązania. Wielkość ta jest utożsamiana z gęstością stanów DOS (density of states). Dużej energii wiązania odpowiada mała wartość energii kinetycznej elektronu. Jako, że elektrony mogą zostać niesprężyście rozproszone podczas transportu w próbce ich energia kinetyczna po opuszczeniu próbki jest efektywnie niższa w stosunku do elektronów nierozproszonych. Tak więc podczas pomiaru obserwujemy elektrony pochodzące z danego pasma En oraz elektrony rozproszone dla wyższej energii wiązania, co prowadzi do charakterystycznego skoku tła przy każdej linii fotoemisyjnej. Tak więc dla wyższych energii wiązania obserwujemy superpozycję rozproszonych elektronów emitowanych ze wszystkich powłok o niższej energii wiązania.Rozpraszanie elektronów nie ogranicza się wyłącznie do drogi jaką muszą przebyć do powierzchni metalu. Elektrony są rozpraszane także w drodze do detektora, gdyż muszą przebyć drogę ok. 1.5 m w warunkach wytworzonej próżni. Uzyskanie wysokiej próżni jest także istotne ze względu na czułość metody PES na skład powierzchni. A jak wiadomo w niskiej dla tego typu pomiarów próżni (np. 10-7 mbar) powierzchnia będzie wyłapywać zanieczyszczenia, które mogą znacząco wpłynąć na jakość otrzymanych wyników. W takim ciśnieniu na powierzchni będzie się osadzać jedna monowarstwa atomów na minutę.

28. Matryca CCD • Matryca CCD – (Charge Coupled Device) - układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy, dzięki zastosowaniu filtrów barwnych, odczytuje natężenie określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy. Obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD niskiej rozdzielczości w aparatach cyfrowych. • Działanie Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona, uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym okresie czasu zależy od natężenia światła. W efekcie otrzymujemy dla każdego elementu światłoczułego informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy.

29. Fotodioda próżniowa (fotokomórka) • Jest to rodzaj lampy elektronowej • Fotokatoda emitująca elektrony pod wpływem padającego na nią promieniowania jest wykonywana w postaci blaszki metalowej umieszczonej wewnątrz bańki i pokrytej materiałem tworzącym fotokatodę lub może być napylona bezpośrednio na wewnętrzną powierzchnię bańki • Anoda ma postać cienkiego pręta lub pętli z drutu i powinna być jak najmniejsza, aby nie zasłaniała fotokatody

30. Fotodioda próżniowa (fotokomórka) • Prąd płynący przez fotokomórkę osiągaja wartości kilkudziesięciu A, a używane napięcia anoda-katoda są rzędu kilkudziesięciu V. • Wadą jest silna zależność prądu fotodiody od temperatury • Zastosowania • wykrywanie i pomiar natężenia światła • w urządzeniach komutacji optycznej, • w układach zdalnego sterowania, • w szybkich przetwornikach analogowo – cyfrowych, • w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.

31. h Elektroda Elektroda CdS Podłoże Fotorezystor • Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Zasada działania fotorezystora oparta jest na wewnętrznym zjawisku fotoelektrycznym. • Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych na izolacyjne np. szklane podłoże. Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami

32. Fotorezystor – zastosowania • Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do: • pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, • właczania/wyłączania lamp ulicznych • detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, • wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych. • Wadą fotorezystora jest jego wrażliwość temperaturowa.

33. Fototranzystor • Jest to element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od oświetlenia obszaru bazy. • Jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. • Fototranzystory wykonuje się najczęściej z krzemu.

34. Fototranzystor - zastosowania Głównymi obszarami zastosowania są układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki analogowo – cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych itp.