Кратко — почему: в фотоэлектрическом эффекте выходной ток зависит не только от частоты (энергии фотонов), но и от поверхности, потому что именно на поверхности определяются: эффективный барьер выхода (работа выхода), плотность и энергия поверхностных состояний, вероятность рассеяния и потери энергии при выходе электрона, локальные поля и поглощение (геометрия, плазмонные резонансы, адсорбаты). Эти факторы изменяют квантовый выход (число вылетающих электронов на один фотон).
Ключевые соотношения (в сыром KaTeX):
- фототок: $I=e\Phi Y$, где $\Phi$ — поток фотонов, $Y$ — квантовый выход.
- разложение выхода: $$Y=Y_{\text{bulk}}+Y_{\text{surf}}=A\cdot {\eta }_{\text{int}}\cdot P_{\text{escape}}+Y_{\text{surf}},$$ где $A$ — поглощение, ${\eta }_{\text{int}}$ — эффективность генерации фотоэлектронов, $P_{\text{escape}}$ — вероятность выхода (например $P_{\text{escape}}\sim e^{-d/\lambda }$ для расстояния $d$ до поверхности и длины свободного пробега $\lambda$).
- пороговая частота для чистого объёма: ${\nu }_0=\varphi /h$ (работа выхода $\varphi$). Поверхностные состояния могут давать субпороговую эмиссию или дополнительный вклад при $h\nu <\varphi$.
Конкретные механизмы поверхностного влияния:
- изменение $\varphi$ через поверхностный диполь/адсорбаты (смещение порога ${\nu }_0$);
- дополнительные уровни (поверхностные состояния) дают двухступенчатую эмиссию или резонансную фотоэмиссию (увеличивают $Y_{\text{surf}}$);
- повышенное поглощение/локальные поля (шероховатость, нано-структуры, плазмонные резонансы) увеличивают $A$;
- увеличенное рассеяние/рекомбинация на дефектах уменьшают $P_{\text{escape}}$.
Предложение эксперимента для выявления вклада поверхностных состояний (практический протокол):
1. Подготовка образцов: один образец в UHV очищён и отожжён (минимум поверхностных состояний), другой — тот же материал с искусственно созданными поверхностными состояниями (например, контролируемая адсорбция O2 или Ar‑бомбардировка для дефектов), при одинаковой геометрии и чистоте подложки.
2. Измерения при фиксированном потоке фотонов $\Phi$:
- спектр фототока $I(\nu )$ при сканировании частоты/энергии монохроматического источника (лазер/синхротрон): получить внешнюю квантовую эффективность $Y(\nu )=I/(e\Phi )$.
- сравнить порог и поведение ниже/выше порога для чистой и «загрязнённой» поверхности. Наличие сигнала при $h\nu <{\varphi }_{\text{bulk}}$ или дополнительные ступени/пики указывают на поверхностные уровни.
3. Поверхностно‑чувствительные спектроскопии одновременно:
- UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) или спектр распределения кинетической энергии фотоэлектронов (hemispherical analyzer) — выявить уровни поверхностных состояний и их энергии относительно $E_F$ и вакуумного уровня.
- двухфотонная фотоэмиссия (2PPE) / pump–probe: если при $h\nu <\varphi$ при последовательном облучении появляется эмиссия, это признаk промежуточных заполненных поверхностных состояний.
4. Вспомогательные контролируемые параметры:
- изменение внешнего смещения (приложенный потенциал) — исследовать влияние бэндингa и барьера выхода на $I$.
- измерение работын выхода методом Kelvin probe до/после обработки поверхности ($\varphi$ меняется при адсорбции).
- температурная зависимость: вклад поверхностных состояний часто сильнее зависит от $T$ (накопление/дезорбция, изменения заполнения уровней).
5. Анализ:
- представить $Y(\nu )$ как сумма вклада объёма и поверхности: $Y(\nu )=Y_{\text{bulk}}(\nu )+Y_{\text{surf}}(\nu )$. Совпадение энергии пиков в UPS/2PPE с особенностями в $Y(\nu )$ — прямая индикатора поверхностного вклада.
- изменение спектра при адсорбции/очистке и при приложении смещения/температуры служит подтверждением.
Коротко по ожидаемым признакам вклада поверхностных состояний:
- фотоэмиссия ниже bulk‑порога;
- дополнительные пики в распределении кинетических энергий, соответствующие энергиям поверхностных уровней;
- сильная чувствительность сигнала к адсорбции/десорбции и к ионному повреждению поверхности;
- различная зависимость от температуры и приложенного электрического поля.
Такой набор измерений (I(ν), UPS/2PPE, Kelvin probe, управление адсорбцией/температурой/напряжением) позволяет количественно выделить и идентифицировать вклад поверхностных состояний в фотоэлектрический ток.