Лекция 85 мин.
Привет, Вы узнаете о том , что такое автоэлектронная эмиссия, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое автоэлектронная эмиссия, полевая эмиссия, туннельная эмиссия , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Радиолампы и ионные приборы.
Процесс миниатюризации электронных вакуумных ламп привел к отказу от подогреваемых катодов и переходу на автоэлектронную эмиссию с холодных катодов специальной формы из специально подобранных материалов[3]. Это дает возможность довести размеры устройств до микронных размеров и использовать при их изготовлении стандартные техпроцессы полупроводниковой индустрии[4]. В настоящее время такие конструкции активно исследуются.
полевая эмиссия электронов , также известная как индуцированная полем эмиссия электронов, полевая эмиссия ( ПЭ ) и электронная полевая эмиссия , — это эмиссия электронов из материала, помещенного в электростатическое поле . Наиболее распространенный пример — полевая эмиссия с твердой поверхности в вакуум . Однако полевая эмиссия может происходить с твердых или жидких поверхностей, в вакуум, жидкость (например, воздух ) или любой непроводящий или слабопроводящий диэлектрик . Индуцированное полем перемещение электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводников ( эффект Зенера ) также можно рассматривать как форму полевой эмиссии.
Полевая эмиссия в чистых металлах происходит в сильных электрических полях : градиенты обычно превышают 1 гигавольт на метр и сильно зависят от работы выхода . Хотя источники электронов, основанные на полевой эмиссии, имеют ряд применений, полевая эмиссия чаще всего является нежелательным первичным источником пробоя вакуума и явлений электрического разряда , предотвращению которых занимаются инженеры. Примерами применения поверхностной полевой эмиссии являются создание ярких источников электронов для электронных микроскопов высокого разрешения или разряд наведенных зарядов с космических аппаратов . Устройства, устраняющие наведенные заряды, называются нейтрализаторами заряда .
Исторически явление полевой электронной эмиссии было известно под различными названиями, включая «эффект эоны», « автоэлектронная эмиссия », «холодная эмиссия», «эмиссия холодного катода », «полевая эмиссия», «полевая электронная эмиссия» и «электронная полевая эмиссия». В некоторых контекстах (например, в космической технике) название «полевая эмиссия» применяется к эмиссии ионов, вызванной полем (полевая ионная эмиссия), а не электронов, и потому что в некоторых теоретических контекстах «полевая эмиссия» используется как общее название, охватывающее как полевую электронную эмиссию, так и полевую ионную эмиссию.
В конце 1920-х годов полевая эмиссия была объяснена квантовым туннелированием электронов. Это стало одним из триумфов зарождающейся квантовой механики . Теория полевой эмиссии из объемных металлов была предложена Ральфом Х. Фаулером и Лотаром Вольфгангом Нордхаймом . [ 1 ] В их честь названо семейство приближенных уравнений, уравнений Фаулера-Нордхайма . Строго говоря, уравнения Фаулера-Нордхайма применимы только к полевой эмиссии из объемных металлов и (с соответствующими модификациями) к другим объемным кристаллическим твердым телам , но они часто используются – в качестве грубого приближения – для описания полевой эмиссии из других материалов.
Связанные явления поверхностного фотоэффекта, термоэлектронной эмиссии (или эффекта Ричардсона-Дашмана ) и «холодной электронной эмиссии», то есть эмиссии электронов в сильных статических (или квазистатических) электрических полях, были открыты и изучены независимо друг от друга в период с 1880-х по 1930-е годы. В современном контексте холодная полевая электронная эмиссия (ХПЭ) — это название особого статистического режима эмиссии, в котором электроны в эмиттере изначально находятся во внутреннем термодинамическом равноверии , и в котором большинство испускаемых электронов покидают эмиттер путем туннелирования Фаулера-Нордхайма из электронных состояний, близких к уровню Ферми эмиттера . (В отличие от этого, в режиме эмиссии Шоттки большинство электронов покидают эмиттер через ослабленный полем барьер из состояний, находящихся значительно выше уровня Ферми.) Многие твердые и жидкие материалы могут испускать электроны в режиме ХПЭ, если приложено электрическое поле соответствующей величины. Когда термин « полевая эмиссия» используется без уточнений, он обычно означает «холодную эмиссию».
Для металлов режим CFE распространяется значительно выше комнатной температуры. Существуют и другие режимы электронной эмиссии (такие как « термическая электронная эмиссия » и « эмиссия Шоттки »), требующие значительного внешнего нагрева эмиттера. Также существуют режимы эмиссии, в которых внутренние электроны не находятся в термодинамическом равноверии, и эмиссионный ток частично или полностью определяется поступлением электронов в область эмиссии. Такой неравновесный процесс эмиссии можно назвать полевой (электронной) эмиссией, если большая часть электронов выходит путем туннелирования, но строго говоря, это не CFE, и он не может быть точно описан уравнением типа Фаулера-Нордхайма.
Уравнения в этой статье записаны с использованием современной Международной системы величин (МСВ). В более ранних работах по полевой эмиссии (и в статьях, напрямую копирующих уравнения из старых работ) часто используются гауссовы единицы измерения, так что физическая постоянная ε₀ опускается . В этой статье все такие уравнения переведены в современную международную форму.
Поскольку работа выхода обычно выражается в единицах электронвольт (эВ), а для полей часто удобно использовать единицу вольт на нанометр (В/нм), это все чаще становится обычной практикой в исследованиях полевой эмиссии. Числовые значения универсальных констант, приведенные здесь, записаны в единицах, полученных из эВ, В и нм, и рассчитаны с точностью до семи значащих цифр с использованием значений фундаментальных констант 2006 года.
Оглядываясь назад, кажется вероятным, что электрические разряды, о которых сообщил Дж. Х. Винклер [ 2 ] в 1744 году, были вызваны CFE от его проволочного электрода. Однако значимые исследования пришлось отложить до идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном [ 3 ] в 1897 году и до того, как стало понятно – из работ по термическому излучению [ 4 ] и фотоизлучению [ 5 ] – что электроны могут испускаться изнутри металлов (а не из поверхностно адсорбированных молекул газа ), и что – в отсутствие приложенных полей – электроны, покидающие металлы, должны преодолевать барьер работы выхода .
По крайней мере, еще в 1913 году существовало подозрение, что излучение, индуцированное полем, является отдельным физическим эффектом. [ 6 ] Однако это предположение получило широкое распространение только после значительного улучшения вакуумной техники и методов очистки образцов. Лилиенфельд (который в основном интересовался источниками электронов для медицинских рентгеновских исследований) опубликовал в 1922 году [ 7 ] первое четкое описание на английском языке экспериментальной феноменологии эффекта, который он назвал «автоэлектронным излучением». Он работал над этой темой в Лейпциге примерно с 1910 года. [ 8 ] [ 9 ]
После 1922 года интерес к экспериментальным исследованиям возрос, особенно в группах под руководством Милликана в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) в Пасадене, Калифорния [ 10 ] , и Гослинга в компании General Electric в Лондоне [ 11 ] . Попытки понять автоэлектронную эмиссию включали построение экспериментальных данных вольт-амперной характеристики ( i – V ) различными способами, чтобы найти линейную зависимость. Ток увеличивался сверхлинейно с напряжением, но графики типа log( i ) в зависимости от V не были прямыми [ 10 ] . Вальтер Х. Шоттки [ 12 ] в 1923 году предположил, что эффект может быть обусловлен термоиндуцированной эмиссией через барьер, ослабленный полем. Если это так, то графики log( i ) в зависимости от √V должны быть прямыми, но они не были прямыми [ 10 ] . Объяснение Шоттки также не совместимо с экспериментальным наблюдением лишь очень слабой температурной зависимости CFE [ 7 ] – момент, который первоначально был упущен из виду . [ 6 ]
Прорыв произошел, когда К. К. Лауритсен [ 13 ] (и Дж. Роберт Оппенгеймер независимо [ 14 ] ) обнаружили, что графики log( i ) в зависимости от 1/ V дают хорошие прямые линии. Этот результат был опубликован Милликаном и Лауритсеном в начале 1928 года. [ 13 ] Теоретическое объяснение и исходное уравнение типа Фаулера-Нордхайма появились вскоре после этого.
Оппенгеймер предсказал [ 14 ] , что туннелирование электронов из атомов под действием поля (эффект, который сейчас называется полевой ионизацией) будет иметь такую зависимость i ( V ), обнаружил эту зависимость в опубликованных экспериментальных результатах полевой эмиссии Милликана и Эйринга [ 10 ] и предположил, что CFE обусловлен туннелированием электронов из атомоподобных орбиталей в поверхностных атомах металла под действием поля. Альтернативная теория Фаулера - Нордхайма [ 1 ] предполагала туннелирование под действием поля из состояний типа свободных электронов в том, что мы сейчас называем металлической зоной проводимости , при этом электронные состояния заняты в соответствии со статистикой Ферми-Дирака . Теория Фаулера-Нордхайма объяснила как результат Милликана-Лауритсена, так и очень слабую зависимость тока от температуры.
В математических деталях теории Оппенгеймера были допущены серьезные ошибки. [ 15 ] Также в окончательном уравнении, приведенном в теории Фаулера-Нордхайма для плотности тока CFE , была допущена небольшая численная ошибка, исправленная в статье 1929 года. [ 16 ] Если барьерное поле в теории Фаулера-Нордхайма 1928 года точно пропорционально приложенному напряжению, и если площадь излучения не зависит от напряжения, то теория Фаулера-Нордхайма 1928 года предсказывает, что графики log( i / V 2 ) в зависимости от 1/ V должны быть точными прямыми линиями. Однако современные экспериментальные методы не позволяли различить теоретический результат Фаулера-Нордхайма и экспериментальный результат Милликана-Лауритсена.
В физической литературе работа Фаулера и Нордхейма часто представляется как доказательство туннелирования электронов , предсказанного волновой механикой. Хотя это и верно, волновая механика была в значительной степени принята к 1928 году. Вместо этого, работа Фаулера-Нордхейма была более революционной в создании современной теории электронных зон . До 1928 года существовала гипотеза о существовании в металлах двух типов электронов: «термионов» и «электронов проводимости», и о том, что термически испускаемые электронные токи обусловлены испусканием термоионов, а токи, испускаемые полем, — испусканием электронов проводимости; только в 1927 году Зоммерфельд утверждал, что статистика Ферми-Дирака применима к поведению электронов в металлах. [ 17 ] Работа Фаулера-Нордхайма 1928 года показала, что термоионы не обязательно должны существовать как отдельный класс внутренних электронов: электроны могут происходить из одной полосы , занятой в соответствии со статистикой Ферми-Дирака, но будут испускаться статистически различными способами при различных условиях температуры и приложенного поля. Успех теории Фаулера-Нордхайма во многом подтвердил правильность идей Зоммерфельда. [ 18 ]
В частности, исходное уравнение типа Фаулера–Нордхайма было одним из первых, которое включило статистико-механические последствия существования электронного спина в теорию экспериментального эффекта конденсированного вещества. Работа Фаулера–Нордхайма также заложила физическую основу для единого подхода к электронному излучению, вызванному полем и термически . [ 18 ]
Идеи Оппенгеймера , Фаулера и Нордхайма также послужили важным стимулом для развития Джорджем Гамовым [ 19 ] , а также Рональдом У. Герни и Эдвардом Кондоном [ 20 ] [ 21 ] позже , в 1928 году, теории радиоактивного распада ядер (путем туннелирования альфа-частиц ). [ 22 ]
Как уже указывалось, ранние экспериментальные работы по полевой электронной эмиссии (1910–1920 гг.) [ 7 ] были обусловлены желанием Лилиенфельда разработать миниатюрные рентгеновские трубки для медицинских применений. Однако для успеха этой технологии было еще слишком рано. [ Почему? ]
После теоретических работ Фаулера-Нордхайма в 1928 году значительный прогресс был достигнут с разработкой в 1937 году Эрвином В. Мюллером сферического полевого электронного микроскопа (ПЭМ) [ 23 ] (также называемого «микроскопом полевой эмиссии»). В этом приборе электронным эмиттером является остроконечная проволока с радиусом вершины r . Она помещается в вакуумную камеру напротив детектора изображения (первоначально люминесцентного экрана) на расстоянии R от него. Экран микроскопа показывает проекционное изображение распределения плотности тока J по вершине эмиттера с увеличением приблизительно ( R / r ), обычно от 10⁵ до 10⁶ . В исследованиях ПЭМ радиус вершины обычно составляет от 100 нм до 1 мкм. Кончик остроконечной проволоки, когда его называют физическим объектом, называют «полевым эмиттером», «кончиком» или (в последнее время) «эмиттером Мюллера».
Когда поверхность излучателя чистая, данное изображение, полученное методом конечных элементов, характеризуется следующим:
На изображении FEM темные области соответствуют областям, где локальная работа выхода φ относительно высока и/или локальное барьерное поле F относительно низко, поэтому J относительно низкое; светлые области соответствуют областям, где φ относительно низкое и/или F относительно высокое, поэтому J относительно высокое. Это соответствует предсказаниям показателя степени уравнений типа Фаулера-Нордхайма [см. уравнение (30) ниже].
Адсорбция слоев атомов газа (таких как кислород) на поверхности эмиттера или ее части может создавать поверхностные электрические диполи , которые изменяют локальную работу выхода этой части поверхности. Это влияет на изображение FEM; кроме того, изменение работы выхода можно измерить с помощью графика Фаулера-Нордхайма (см. ниже). Таким образом, FEM стал одним из первых наблюдательных инструментов в науке о поверхностях . [ 24 ] [ 25 ] Например, в 1960-х годах результаты FEM внесли значительный вклад в дискуссии о гетерогенном катализе . [ 26 ] FEM также использовался для изучения диффузии атомов на поверхности . Однако в настоящее время FEM почти полностью вытеснен более новыми методами науки о поверхностях.
Следствием разработки FEM и последующих экспериментов стало то, что стало возможным определить (по результатам анализа изображений FEM), когда эмиттер «чистый», и, следовательно, демонстрирует свою работу выхода чистой поверхности, установленную другими методами. Это было важно в экспериментах, предназначенных для проверки достоверности стандартного уравнения типа Фаулера-Нордхайма. [ 27 ] [ 28 ] В этих экспериментах значение коэффициента преобразования напряжения в барьерное поле β было получено из графика Фаулера-Нордхайма (см. ниже), предполагая значение φ для чистой поверхности вольфрама, и сравнено с значениями, полученными из наблюдений формы эмиттера с помощью электронного микроскопа и электростатического моделирования. Было достигнуто совпадение с точностью до 10 %. Лишь совсем недавно [ 29 ] стало возможным провести сравнение в обратном направлении, приблизив хорошо подготовленный зонд настолько близко к хорошо подготовленной поверхности, что можно предположить приблизительную геометрию параллельных пластин, и коэффициент преобразования можно принять равным 1/ W , где W — измеренное расстояние между зондом и эмиттером. Анализ полученного графика Фаулера-Нордхайма дает значение работы выхода, близкое к независимо известной работе выхода эмиттера.
Измерения распределения энергии электронов, испускаемых полем, впервые были опубликованы в 1939 году. [ 30 ] В 1959 году Юнг теоретически осознал [ 31 ] и экспериментально подтвердил Юнг и Мюллер [ 32 ] , что измеряемой величиной в сферической геометрии является распределение полной энергии испускаемого электрона (его «распределение полной энергии»). Это объясняется тем, что в сферической геометрии электроны движутся таким образом, что угловой момент относительно точки в эмиттере практически сохраняется. Следовательно, любая кинетическая энергия , которая при испускании направлена параллельно поверхности эмиттера, преобразуется в энергию, связанную с радиальным направлением движения. Таким образом, в энергетическом анализаторе измеряется полная энергия при испускании.
С появлением чувствительных анализаторов энергии электронов в 1960-х годах стало возможным измерять мельчайшие детали распределения полной энергии. Эти детали отражают тонкости физики поверхности , и метод спектроскопии полевых электронов некоторое время процветал, прежде чем был вытеснен более новыми методами исследования поверхности. [ 33 ] [ 34 ]
Для достижения высокого разрешения в электронных микроскопах и других электронно-лучевых приборах (таких как те, которые используются для электронно-лучевой литографии ) полезно начинать с источника электронов, который является небольшим, оптически ярким и стабильным. Источники, основанные на геометрии эмиттера Мюллера, хорошо соответствуют первым двум критериям. Первое наблюдение отдельного атома в электронном микроскопе (ЭМ) было сделано Альбертом Крю , Дж. Уоллом и Дж. Лангмором в 1970 году [ 35 ] с использованием сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, оснащенного ранней пушкой полевой эмиссии .
Начиная с 1950-х годов, значительные усилия были направлены на разработку источников полевой эмиссии для использования в электронных пушках . [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [например, DD53] Были разработаны методы генерации осевых пучков либо путем наращивания эмиттера под действием поля, либо путем селективного осаждения адсорбата с низкой работой выхода (обычно оксида циркония – ZrO) на плоскую вершину вольфрамового эмиттера, ориентированного по плоскости (100) . [ 39 ]
Источники, работающие при комнатной температуре, имеют тот недостаток, что они могут покрываться молекулами адсорбата , поступающими со стенок вакуумной системы, и эмиттер приходится время от времени очищать путем «кратковременного нагрева» до высокой температуры. В настоящее время широко используются источники на основе эмиттеров Мюллера, работающие при повышенных температурах, либо в режиме эмиссии Шоттки , либо в так называемом промежуточном температурно-полевом режиме. Большинство современных электронных микроскопов высокого разрешения и электронно-лучевых приборов используют ту или иную форму источника полевой эмиссии электронов. В настоящее время предпринимаются попытки разработать углеродные нанотрубки (УНТ) в качестве источников полевой эмиссии для электронных пушек. [ 40 ] [ 41 ]
Использование источников полевой эмиссии в электронно-оптических приборах потребовало разработки соответствующих теорий оптики заряженных частиц [ 37 ] [ 42 ] и разработки соответствующих моделей. Для эмиттеров Мюллера были опробованы различные модели формы; лучшей, по-видимому, является модель «Сфера на ортогональном конусе» (SOC), предложенная Дайком, Троланом, Доланом и Барнсом в 1953 году [ 43 ]. Важные моделирования, включающие отслеживание траектории с использованием модели эмиттера SOC, были выполнены Визенером и Эверхартом [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] . В настоящее время возможность моделирования полевой эмиссии от эмиттеров Мюллера часто включается в коммерческие программы электронной оптики, используемые для проектирования электронно-лучевых приборов. Проектирование эффективных современных электронных пушек с полевой эмиссией требует высокоспециализированных знаний.
В настоящее время можно получить очень острые эмиттеры, в том числе эмиттеры, заканчивающиеся одним атомом. В этом случае эмиссия электронов происходит из области, примерно вдвое превышающей кристаллографический размер одного атома. Это было продемонстрировано путем сравнения изображений эмиттера, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (FEM) и полевого ионного микроскопа (FIM). [ 47 ] Мюллеровские эмиттеры с вершиной из одного атома также имеют отношение к сканирующей зондовой микроскопии и сканирующей ионной микроскопии гелия (He SIM). [ 48 ] Методы их получения изучаются уже много лет. [ 47 ] [ 49 ] Важным недавним достижением стало также разработка (для использования в He SIM) автоматизированной методики восстановления вершины из трех атомов («тримера») в ее первоначальное состояние, если тример распадается. [ 48 ]
Источники полевой эмиссии большой площади вызывают интерес с 1970-х годов. В этих устройствах на подложке (первоначально кремниевой) создается высокая плотность отдельных участков полевой эмиссии. Эта область исследований получила название сначала «вакуумная микроэлектроника», а теперь — «вакуумная наноэлектроника».
Один из двух первоначальных типов устройств, « массив Спиндта » [ 50 ], использовал методы изготовления кремниевых интегральных схем (ИС) для создания регулярных массивов, в которых молибденовые конусы осаждались в небольших цилиндрических пустотах в оксидной пленке, причем пустота была закрыта противоэлектродом с центральным круглым отверстием. Эта общая геометрия также использовалась с углеродными нанотрубками, выращенными в пустоте.
Другой оригинальный тип устройства — это «эмиттер Латама». [ 51 ] [ 52 ] Это были устройства MIMIV (металл-изолятор-металл-изолятор-вакуум) — или, в более общем смысле, CDCDV (проводник-диэлектрик-проводник-диэлектрик-вакуум) — содержащие проводящие частицы в диэлектрической пленке. Устройство излучает поле, потому что его микроструктура/наноструктура обладает свойствами усиления поля. Этот материал имел потенциальное преимущество в производстве, поскольку его можно было наносить в виде «чернил», поэтому не требовались методы изготовления ИС. Однако на практике оказалось сложно изготавливать устройства с одинаковой надежностью.
Исследования продвинулись в поисках других материалов, которые можно было бы осаждать/выращивать в виде тонких пленок с подходящими свойствами усиления поля. В конфигурации с параллельными пластинами «макроскопическое» поле F M между пластинами определяется формулой F M = V / W , где W — расстояние между пластинами, а V — приложенное напряжение. Если на одной из пластин создан острый объект, то локальное поле F в его вершине будет больше, чем F M , и может быть связано с F M соотношением
Параметр γ называется «коэффициентом усиления поля» и в основном определяется формой объекта. Поскольку характеристики полевой эмиссии определяются локальным полем F , то чем выше значение γ объекта, тем ниже значение F
продолжение следует...
Часть 1 Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, туннельная эмиссия)
Часть 2 туннелирование Фаулера-Нордхейма - Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, туннельная эмиссия)
Часть 3 Электронная эмиссия в холодном поле - Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия,
Часть 4 теоретические уравнения CFE - Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, туннельная эмиссия)
Часть 5 Графики Фаулера – Нордхейма и графики Милликена – Лауритсена -
Исследование, описанное в статье про автоэлектронная эмиссия, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое автоэлектронная эмиссия, полевая эмиссия, туннельная эмиссия и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Радиолампы и ионные приборы
Комментарии