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Elektrochemische und elektronische Detektionsverfahren in der Sensorik

Austrittsarbeit an freien Oberflächen

Unter Austrittsarbeit versteht man die minimale Energie, die nötig ist, um ein Elektron aus dem Festkörperinneren ins Vakuum zu bringen. Die minimale Arbeit erhält man, indem das Elektron unendlich langsam entfernt wird.

Die Austrittsarbeit φ kann als Differenz zwischen Vakuumniveau in genügend großem Abstand und dem Fermi-Niveau betrachtet werden.

Metalle

Für Metalle kann die Austrittsarbeit formal in einen Anteil des chemischen Potenzials des Elektrons im Volumen des Metalls μ e , i und des Kontakt- oder Oberflächenpotenzials Ψ aufgeteilt werden.

n = Evac EF = ψ μ e , i

Bei Metallen kommt eine Oberflächenladung dadurch zustande, dass die negative Elektronenwolke des Elektronengases hinausreicht. Die Oberflächenladung kann durch eine Dipolschicht beschrieben werden, die durch Ladungen im Festkörperinneren neutralisiert wird. Bei Metallen ist diese Neutralisation innerhalb einer Atomlage möglich. Die Reichweite dieser Störung in den Festkörper wird Debye-Länge genannt.

Das Oberflächenpotenzial Ψ ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um das Elektron durch die Doppelschicht zu transportieren. Diese Auftrennung ist deshalb vor allem für die Elektrochemie von Metallelektroden wichtig.

Halbleiter

Für Halbleiter ergibt sich ein komplizierteres Bild. Auch hier entsteht wie beim Metall eine Dipolschicht auf der Oberfläche. Zusätzlich können aber selbst bei reinen Halbleitern Oberflächenladungen dadurch entstehen, dass in den Oberflächenzuständen Ladungen festgehalten werden. Durch die geringe Beweglichkeit kompensierender Ladungsträger haben die entstehenden elektronischen Felder eine größere Reichweite. Nimmt man an, dass die Oberflächenladung negativ ist, so ist im Festkörper eine positive Ladung vorhanden. Die Abgabe eines Elektrons ist erschwert, es entsteht eine Bandverbiegung. Eine Bandverbiegung ist anschaulich eine Barriere für Volumenelektronen, die beim Durchtritt durch die Oberfläche zusätzlich überwunden werden muss. Elektronen, die tiefer als die Debye-Länge im Volumen sind, werden von diesem Potenzial nicht mehr beeinflusst.

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