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Die spektrale Verteilung und die Temperaturabhngigkeit des Kristallphotoeffektes an Pyrargyrit- und Stephaniteinkristallen.

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804
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 21. 1934135
Die spekctrale VertedluNg
und die T e m ptzr atzcr abhangig keit
des EristaZZphJotoeffektes a m Pyrargyrdtumd Stephamitein~riutaZZen
Von J o h an m es B dlr i s c la
(Mit 5 Figuren)
I n h a l t s u b e r s i c h t: I. Vorbetrachtungen. - 11. Die MeBanordnung. - 111. Die Messungen: A. Vorbereitende Messungen und Betrachtungen dariiber; B. Die Ergebnisse an Pyrargyrit-Einkristallen;
C. Die Ergebnisse an Stephanit-Einkristallen. - IV. Diskussion der Ergebnisse. - Zusammenfassung. - Literaturangaben.
I. Vorbetrachtunpen
Schon seit langer Zeit sind Untersuchungen iiber lichtelektrische Erscheinungen a n Kristallen beobachtet worden
(1-9).
Meist wurden hierbei Vielkristalle verwendet. Fast
in allen Fallen wurde als Ergebnis ein innerer lichtelektrischer
Effekt gemessen. Die Arbeiten von D e m b e r (10-12) und
T ei c h m a n n haben nun gezeigt, da6 an vielen Halbleitereinkristallen ohne Anlegen einer Vorspannung bei Belichtung eine
selbstandige photoelektromotorische Kraft auftritt, derenRichtung
von der Richtung des Lichtes abhangt. D e m b e r nannte diese
Erscheinung zum Unterschiede von allen anderen Iichtelektrischen Vorgangen Kristallphotoeffekt. Die Untersuchungen dieses
Effektes am Kuprit durch B a r t h (13) zeigten, daB der Effekt
im sichtbaren Spektralgebiet ein stark ausgepragtes , optisch
selektives Maximum hat, und daB er bei tiefen Temperaturen
stark ansteigt.
Das Ziel dieser Arbeit war es nun, festzustellen ob Einkristalle von Pyrargyrit und Stephanit, die nach D e m b e r s
Untersuchungen (10) auch den Kristallphotoeffekt zeigen , sich
ahnlich verhalten wie der Kuprit und die von B a r t h gefundenen Eigenschaften fur den Kristallphotoeffekt typisch
sind, oder ob sie Zufalligkeiten beim Kuprit darstellen.
11. Die MeBanordnung
Die Kristalle wurden in eine Vorrichtung eingespannt,
wie sie Fig. 1 zeigt. Der Kristall liegt zwischen 2 Elektroden
J . Barisch. Die spektrale Verteilung usw.
805
1 und 2. Die Starke des Zwischenringes 4 ist so bemessen,
daB beim festen Anschrauben von 3 die Kupferfolie 2 gerade
geniigend auf den Kristall druckt, um mit diesem guten Kontakt zu haben, ohne daB durch den Druck bereits ein piezoelektrischer Effekt entsteht. Auf den Ring 3 ist ein Konstantandraht aufgelotet, der am anderen Ende durch einen Kupferdraht fortgesetzt wird und uber ein Spiegelgalvanometer mittels
eines Kupferdrahtes wieder mit der Zufiihrung zur vorderen
Elektrode verbunden ist. Diese Anordnung dient zur Temperaturmessung in der Kristallzelle.
I)a die Empfindlichkeit des Quadrantenelektrometers
(53000 Skt. pro Volt) zur Messung des Effektes nicht ausreichte,
Fig. 1. Kristall in Zelle eingefalt. Es bedeuten : 1 tischftirmige, hintere Elektrode,
2 Kupferfolie, 3 Kupferring zum Aufdrucken der Folie, 4 Bernsteinring, 5 Muttern
zum Anklemmen der hinteren Zufuhrung
und zurn Festhalten der hinteren Elektrode,
6 Schranbe zurn Festhalten der Zuleitung
zur vorderen Elektrode, 7 Kreisplatte aus
Bernstein zum Tragen der ganzen Anordnung, 8 Kristall
Y
7
6
I
wurde ein Rohrenelektrometer nach der Schaltung von B a r t h (14)
verwendet. Der Widerstand der Kristalle lag schon bei Zimmertemperatur bei log Ohm. Deshalb muate besonderer Wert auf
Gitterstromfreiheit gelegt werden. Die maximale Empfindlichkeit des benutzten Verstarkers hetrug 4. loF6 VoltlSkt. hei
3 m Entfernung der Skala.
Als Lichtquelle wurde eine Zeiss-Ikon-Projektionslampe
benutzt. Die spektrale Zerlegung des Lichtes wurde mit Hilfe
eines Doppelmonochromators ( L e i s s , Halle) ausgefiihrt. Mit
einer Thermosaule , die nach Hefnerkerzen geeicht war, und
einem niedrigohmigen Spiegelgalvanometer wurde die Intensifat
des zur Bestrahlung verwendeten Lichtes gemessen.
111. Die Messungen
A. Vo rb e r e i t e n d e M e s s u n g e n
und allgemeine Betrachtnngen daruber
Vor der Angabe der einzelnen MeBergebnisse sollen einige
Bemerkungen allgemeiner Art gemacht werden? die sich auf
eine ganze Gruppe von Kristallen oder auf alle Kristalle beziehen.
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Annalen der Physik. 5. Folge. Band 21. 1934135
Zunachst wurden solche Stiicke ausgeschieden, die nicht
einwandfreie Einkristalle waren. Sin groBer Teil der Kristalle
zeigte einen so kleinen Eflekt, daB eine Messung desselben
wenig Zweclr hatte. Die nachgewiesenen und untersuchten
Effekte entsprechen alle der D em be rschen Definition. Irgendeine Sperrwirkung, die auf eine Sperrschicht hatte schlieBen
lassen, ist in keinem Falle gefunden worden.
Ein Teil der Pyrargyritkristalle zeigte piezoelektrische Erscheinungen, die durch Vermeidung von Druck auf ein Minimum beschrankt werden konnten. Nach etwa 3 Tagen waren
auch diese Reste praktisch verschwunden. An dieser Stelle
sei noch erwahnt, daB in vielen Fallen der Betrag der piezoelektrischen Kraft der Kristalle durch die Belichtung FergroBert
wurde.
Eine groBe Schwierigkeit bereitete die Tatsache, daB alle
Kristalle bei der Belichtung auBerordentlich schnell ermiideten.
Solche Ermiidungserscheinungen sind schon von T e i c h m a n n
untersucht worden (15).
Die bei meinen Untersuchungen gefundenen Verhaltnisse
entsprechen diesen, sind aber riel starker ausgepragt.
Bei der exakten Ermittluag der spektralen Verteilung des
Kristallpltotoeffektes muBte nun diese Errnudung ausgeschaltet
oder derart meBbar gemacht werden, daB trotz ihr der richtige
Wert der einzelnen Kurvenpunkte ermittelt werden konnte.
Mit Hilfe der Tatsache, daB durch Bestrahlung mit langwelligerem
Lichte die Errnudung sehr schnell zu beseitigen war, liet) sich
eine MeBmethodik herausbilden, die hintereinander die Messung
einer ganzen Kurve bei gleicher Temperatur ermoglichte. F u r
eine einzelne Mesaung lagen die Belichtungszeiten zwischen 2
und 6 Sek. Es wurden von langwelligem nach kurzwelligem
Lichte zu in Abstanden ron etwa ,300 m p drei Messungen ausgefuhrt, die ungefiihr gIeichmaBig uber das zu messende Gebiet
verteilt waren. Nach diesen drei Einzelmessungen wurde der
Kristall mit sehr langwelligem Lichte (etwa 3 mpu) bestrahlt.
Hierauf erfolgten wieder drei Messungen von langwelligem nach
kurzwelligem Lichte zu, hierauf wieder Bestrahlung mit sehr
langwelligem Lichte. I n dieser Weise wurden samtliche Messungen bei einer bestimmten Temperatur in kurzer Zeit hintereinander ausgefuhrt. Die bei der Messung des Effektes zur
Bestrahlung verwendeten Lichtintensitaten betrugen im Mittel
1 0+ cal/sec.
I n dieser Vorbetrachtung sol1 auch auf eine Erscheinung
hingewiesen werden , die wahrend der Untersuchungen des
Verfs. am Kuprit uberhaupt nicht, am Stephanit verhaltnis-
J . Barisch. Die spektrale Verteilung usw.
807
ma8ig schwach, am Pyrargyrit aber sehr stark aufgetreten ist.
Die Pyrargyritkristalle zeigten im kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums einen autlerordentlich groien Effekt, der aber
sehr vie1 Zeit zur vollen Entwicklung brauchte. Bemerkenswert war dabei, daB das Ende des beobachteten Ausschlages
beliebig weit hinausgeschoben werden konnte, da der anfangliche Ausschlag, falls das Licht nicht weggenommen wurde,
nach einem Stillstand von etwa 1 Sek. sich weiter vergronerte.
Diese an sich schon voilstandige Unbestimmtheit wurde um so
grBBer, je langer an dem Kristall bereits gemessen wurde.
Dazu kam, daB sich beim Pyrargyrit ungefahr von 600mp an
aufwarts ein tragheitsloser Effekt iiberlagerte, neben dem der
vorher beschriebene einherging. Dieser tragheitslose Effekt
zeigte ein deutlich ausgepragtes Maximum und war in seiner
GroBe bedeutend weniger von der Enniidung des Kristalles
abhangig. Bei tiefen Temperaturen nahm er an Gro8e au8erordentlich zu, wahrend der trage Effekt im kurzwelligen Teile
bei tiefen Temperaturen verhaltnismafiig zuruckblieb. Uer
trage Effekt setzte erst 4-5 Sek. nach Beginn der Belichtung
ein. Alles das deutete darauf hin, da8 hier mindestens ganz
ahnliche, wenn nicht uberhaupt dieselben Verhaltnisse vorliegen, wie sie von vielen Forschern am inneren lichtelektrischen Effekt festgestellt worden sind und besonders durch
G u d d e n und P o h l zur klaren Unterscheidung von primarem
und sekundkem Effekt gefiihrt haben. Analog dieser Trennung mogen auch beim Kristallphotoeffekt primare und sekundare Erscheinungen voneimnder unterschieden werden. Die
von mir in den nachsten beiden Unterabschnitten mitgeteilten
Ergebnisse sind primare Kristallphotoeffekte, deren wesentliche
Merkmale also folgende sind:
1. Die ohne angelegtes Feld bei Belichtung auftretende
Photo-EMK. bzw. der auftretende lichtelektrische Strom, entsprechen einer Elektronenverschiebung in Richtung des Lichtes.
2. Der Effekt setzt bei Belichtung tragheitslos ein. Der
Endausschlag ist in wenigen Sekunden erreicht.
3. Bei tiefen Temperaturen liegen die gro8eren Werte
des Effektes, wahrend hier die sekundaren Erscheinungen stark
zuriicktreten.
Zuweilen zeigte sich bei den ersten Messungen ein Effekt,
der die entgegengesetzte Richtung hatte. Zum Teil kam es
auch vor, daB sich deutlich zwei Effekte verschiedrner Richtung iiberlagerten. Nach eingehender Untersuchung konnte jedoch festgestellt werden, dab der negative Effekt immer nur
dann auftrat, wenn der Kristall ermudet war.
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Annalen der Physik. 5. Folge. Band 22. 1934135
Die oben beschriebenen xhnlichkeiten mit dem inneren
lichtelektrischen Effekt lassen eine Verwandtschaft beider
Effekte vermuten, die schon von einigen Autoren angedeutet
worden ist (19-21).
B. D i e E r g e b n i s s e an Pyrargyriteinkristallen
Pyrargyrit, in der Mineralogie dunkles Rotgiltigerz genannt, hat die chemische Zusammensetzung 3Ag2S .Sb,S,. Er
enthalt an Stelle von Antimon
oft etwas Amen und kristallisiert hexagonal in Prismen. I m
erhitzten Zustande phosphoresziert er.
Der Iiristallphotoeffekt am
Pyrargyrit wurde hauptsachlich
an drei Einkristallen gemessen.
Der Kristall, dessen Me&
ergebnisse in Fig. 2 angegeben
sind, w a r von Natur aus mit
spiegelglatten Flachen versehen.
Sein Volumen betrug 0,036 cm3,
seine bestrahlte Vorderflache
etwa 0,15 cm2 und seine Dicke
0,2 cm. Der Einheitswert der
Lichtintensitit, auf den die
Messungen bezogen sind, betragt 1,7. lo-? cal/sec.
Die Messungen zeigen zunachst zwei Merkmale des
Effektes: 1. Bei tiefen Temperaturen nimmt der Effekt
an Grope xu. 2. Bei tiefen
Temperatwen verschiebt sich
das Maximum des Effektes
nach kurxelz Wellen zu.
Diese beiden Eigenschaften entsprechen den bisher gemachten Beohachtungen an Halbleitern. Das gleiche Ergebnis
zeigten die anderen Iiristalle. Ein Kristall unterschied sich
von den anderen durch ein kleines Nebenmaximum bei 0,8p,
das nur bei sehr tiefen Temperaturen unterhalb von - 60° C
nachzuweisen war.
C. D i e Ergebnisse a n Stephaniteinkristallen
Der Stephanit ist ahnlich dem Pyrargyrit ein Doppelsulfid. Bei ihm sind 5 Molekule Silbersulfid mit 1 Molelriil
J. Barisch. Die spektrale Verfeilung usw.
809
Bntimontrisulfid zusammen kristallisiert, daB a160 seine chemische Formel lautet 5Ag2S.Sb,S,. Er sieht schwarz und undurchsichtig am.
Zur Untersuchung
wurden
hauptsachlich dreiPlatten
verwendet,
die aus grofien
Einkristallen herausgesagt worden
sind. Die Platte I
hatte eine Flache
von ungefahr
1,4 om2 und eine
Dicke von 0,3 cm.
Bei der Platte I1
waren diese GroBen 0,12 cm2 und
0,21 cm und bei
Platte III0,14cm2
und 0,18 cm.
Die Messungen an einer Stephanitplatte sind
in Fig.3 wiedergegeben. Sie sind
auf eine LichtFig. 3. Kristallphoto-EMK. an Stephanit I
energie von
2. 10-7callsec
bezogen. Auch hier steigt die Photo-EMK. bei tiefen Temperaturen stark an, und das Maximum verschiebt sich nach
kiirzeren W ellenlangen.
Genauer erkennt man
das Verhalten des Maximums bei den verschiedenen
Temperaturen
aus Fig.4. Der Logarithmus des Maximal- 2
wertes zeigt von etwa 7
- 150 C an einen anderen Gang. Neu ist
die Tatsache, daB die Fig. 4. Kristallphoto-EMK. an Stephanit I.
SPektrale Verschiebung Maximalwerte in Abhangigkeit von der
des hochsten Wertes Wellenlange des Lichtes und der Temperatur
Annalen der Physik. 5. Folge. 21.
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810
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 21. 1934135
mit der Temperatur im Gegensatz zu den bisherigen Erfahrungen nicht mehr durch eine einzige Gerade dargestellt werden
kann. I n dem Bereiche von
- l o bis + 1 C springt das
Maximum auf einen neuen
Wert der Wellenlange, urn von
da an wieder linear, jedoch
starker als zuvor von der Temperatur abhangig zu sein. Auf7117 fallend ist dabei, daB die
Sprungtemperatur bei 0 C
liegt.
Fig. 5. Maximalwerte des KristallDie anderen Kristalle
photoeffektes bei einem anderen zeigten im wesentlichen dieStephaniteinkristall in Abhlngigkeit selben Ergebnisse.
eben
von der Wellenlange des Lichtes
erwahnte Sprung in der Temund der Temperatur
peraturnbhangigkeit von der
Wellenlange fehlt bei ihnen. Fig. 5 zeigt die abgekiirzte
Darstellung der Verhaltnisse bei einem der anderen Kristalle.
uer
IV. Diskussion der Ergebnisee
Betrachtet man die gefundenen Ergebnisse, so kann man
aus allen Messungen zwei grundlegende Eigenschaften des
Effektes erkennen :
1. Das selektive M a x i m u m des Kristallphotoeffektes steigt
nach tiefen Temperaturen xu nach einer e-Funktion an. Dabei
war fur jeden Iiristall ein Temperaturgebiet zu finden, in dem
die urspriingliche e-Punktion durch eine neue abgelost wurde.
Der Anstieg war im Gebiet tiefer Temperaturen nicht so steil
wie im Gebiete hoher Temperaturen.
2. Das sebktive M a x i m u m verschiebt sich bei tiefen Temperuturen nach kurxen Welhilangen xu. Die Verschiebung ist der
Temperaturanderung proportional.
Diese beiden Tatsachen bedeuten eine Verallgemeinerung
der beim Kuprit gefundenen Eigenschaften auf weitere Kristalle.
Sehr auffallend ist jedoch, dal3 die in Figg. 4 und 5 zu findende
Knickstelle, die auch von Dr. B a r t h bei seinen Messungen
am Kuprit festgestellt wurde, in der Nahe von O o C liegt.
Die Tatsache, daB Absorption von Wasserdampf [(16) und
Untersuchungen von P. B r a u e r , die noch nicht abgeschlossen
sind] auf den lichtelektrischen Effekt und auf die elektrische
Leitfahigkeit einen groBen EinfluB haben, legt die Vermutung
nahe, daB es sich bier urn eine Erscheiuung handelt, die ihre
J . BU~isch. Die spektrab Verteilung mw.
811
Existenz dem Mitwirken einer ab- oder adsorbierten Wassermenge verdankt.
Die Stephanitplatte I zeigt in ihrer Verschiebung des
Maximums eine Sonderheit, die bei keinem anderen Kristall
gefunden wurde. Verdachtig ist hier wiederum, da6 der Sprung
in der Wellenlange des Maximums gerade bei der Gefriertemperatur des Wassers eintritt.
nber die Unterscheidung zwischen primarem und sekundarem Kristallphotoeffekt, die als neues Moment in dieser Arbeit
auftritt, wurde schon in den allgemeinen Betrachtungen berichtet.
Ebenso wurden dort die Ermiidungserscheinungen und die
piezoelektrischen Effekte erwahnt, die bei einigen Kristallen
ztuftraten.
Zusammenfasaung
1. An Pyrargyrit- und Stephaniteinkristallen wird fur
den Kristallphotoeffekt die Abhangigkeit von der Wellenrange
des zur Bestrahlung verwendeten Lichtes und von der Temperatur untersucht.
2. Die Untersuchungen zeigen, daB das Maximum des
Effektes nach tiefen Temperaturen zu nach einer e-Funktion
ansteigt und sich linear mit der Temperatur von langen nach
kurzen Wellenlangen verschiebt.
3. In der Abhangigkeit des Maximalwertes von der Temperatur zeigt sich bei allen Kristallen ein Funktionswechsel.
4. Auf Grund dieser Tatsache und der Beobachtungen
anderer Autoren wird vermutet, da6 es sich hier urn eine Erscheinung handelt, die auf Absorption von Wasserdampf zuruckzufuhren ist.
5. Die Unsicherheit vieler Messungen wird untersucht
und beseitigt durch eine grundsatzliche Unterscheidung zwischen
primarem und sekundarem Kristallphotoeffekt.
6 . Gelegentlich der Untersuchungen wird an verschiedenen
Kristallen eine piezoelektrische %aft festgestellt, deren Betrag
bei Belichtung der Kristalle zunahm.
Es sei mir gestattet, Herrn Prof. Dr. D e m b e r fur die Anregung zu dieser Arbeit und Herrn Prof. Dr. T o m a s c h e k fur
die freundliche Forderung derselben meinen herzlichsten Dank
auszusprechen.
52 *
812
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 21. 1934135
Literaturangaben
1) W. H a n k e l , Ann. Phys. u. Chemie 17. 8. 163. 1881.
2) 'E. M e r r i t t , Phys. Rev. 23. 8. 555. 1924.
3) R. L. H a n s o n , Phys. Rev. 29. S. 924. 1927.
4) E. H . K e n n a r d u. E. O . D i e t e r i c h , Phys. Rev. 9. S. 58. 1917.
5 ) R. M. Holtnes, Phys. Rev. 2.5. S.826. 1925.
6) B. G u d d e n , Lichtelektr. Erscheinungen. 1928. S. 277ff.
7) H. H. S h e l d o n u. P. H. G e i g e r , Phys. Rev. 19. S. 389. 1922.
8) P. H. G e i g e r , Phys. Rev. 22. S. 461. 1923.
9) E. R u p p , Ztschr. f. Phys. 80. S. 483. 1933.
10) H. D e m b e r u. €1. T e i c h m a n n , Fortschr. d. Min. Krist. Petr. 16.
S. 313. 1931.
11) H. D e m b e r , Phys. Ztschr. 35. S. 554. 1931.
12) H. D e m b e r , Phys. Ztschr. $2. S. 856. 1931.
13) G. B a r t h , Ztschr. f. Phys. 87. S. 399. 1034.
14) G. B a r t h u. H. D e m b e r , Phys. Ztschr.34. S. 284. 1933.
15) H. T e i c h m a n n , Ztschr. f.Phys. 87. S. 264. 1933.
16) H e i n e c k , Phys. Ztschr. 36. 6. 113. 1934.
17) B. G u d d e n , Lichtelektr. Erscheinungen. 1928. S. 180E.
18) F l e i s c h e r - T e i c h m a n n , Lichtelektr. Zellen. 1932.
19) B i w t s c h i n s k y , Phys. Ztschr. d. Sow.-Un. 8. 1932.
20) A t h a n a s i u , Journ. d. Phys. 2 u. 3. 1934.
21) A t h a n a s i u , Journ. d. Phys.2. S. 85. 1934.
F r e i t a l 2/Sa.
(Eingegangen 18. November 1934)
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