Feltutslipp

Ved feltemisjon frigjør et tilstrekkelig sterkt elektrisk felt (mer enn ¹⁰⁹  V / m) elektroner med et veldig lite energiområde fra en (negativt ladet) katode . Klassisk vurderes det for en partikkel med en viss gjennomsnittlig termisk energi som er mindre enn høyden på arbeidsfunksjonen , det er umulig å forlate katodematerialet. Fra et kvantemekanisk synspunkt er det imidlertid en viss sannsynlighet for at individuelle elektroner vil unnslippe fra det faste stoffet . Disse suges deretter ut av det høye ytre feltet. Denne effekten kalles vanligvis tunneleffekten . Elektrontunnellene gjennom den potensielle veggen, som ble vippet av det eksterne elektriske feltet - denne spesielle tunneltypen kalles også Fowler-Nordheim-tunneler (oppkalt etter Ralph Howard Fowler og Lothar Nordheim ).

historie

Lekkasje av elektroner fra et fast stoff, som ikke kan forklares tilfredsstillende ved hjelp av klassisk fysikk, var et av de første forskningsfagene i kvantemekanikk . Erwin Wilhelm Müller oppfant feltemisjonsmikroskopet , som prosesser på atomnivå på metalloverflater kunne undersøkes for første gang. Når det gjelder kvantemekanikk, er tunneleffekten også basert på lignende modeller. Det ble først observert i et vakuum i 1897 under feltutslipp av elektroner i et eksperiment av Robert Williams Wood , som imidlertid ennå ikke var i stand til å tolke denne effekten. I 1928 ble den først beskrevet teoretisk av Ralph H. Fowler og Lothar Nordheim .

applikasjoner

Schottky-emitterelektronkilde til et elektronmikroskop

I strålegenereringssystemer med moderne elektronmikroskoper brukes feltemisjonskatoder mye, siden den høye romlige og midlertidige koherensen av feltemitterte elektroner har fordeler for elektronoptisk avbildning. Feltutslippsskjermbilder er en feltutslippsapplikasjon som ble videreutviklet og markedsført av det japanske selskapet (Field Emission Technologies Inc.). Også vakuumfluoriserende skjermer kan fremstilles i henhold til prinsippet av feltavgivende, men er ikke mye brukt på grunn av den høye driftsspenning. I motsetning til gløde utslipp , katoden forblir kald med feltavgi. Det er derfor mer energieffektivt i visse applikasjoner.

I elektronrør for høye spenninger er feltemisjon uønsket og må unngås ved å bruke glatte, rene og feilfrie elektrodeoverflater. Det er viktig å holde krumningsradiene i kantene så store som mulig, fordi dette er den eneste måten å holde feltstyrken (ved en gitt spenning) tilstrekkelig liten (se også koronaringen ).

De frie elektronene som genereres av feltemisjon i vakuum , brukes direkte i feltemisjonsmikroskopet , som nå i stor grad er erstattet av andre elektronmikroskoper , for å skape et bilde, for eksempel en wolframspiss . Både ujevnheter (høyder fører til et sterkere felt) og regionale, krystallstrukturerelaterte forskjeller i arbeidsfunksjonen er synlige.

beregning

Den strømtetthet av feltemisjons beregnes generelt fra (Fowler-Nordheim ligning for feltavgi): ${\ displaystyle j}$

${\ displaystyle j (E) = {\ frac {q ^ {3} m ^ {*}} {8 \ pi mh \ Phi}} \ cdot {E ^ {2}} \ exp {\ left (- {\ frac {4 {\ sqrt {2m \ Phi ^ {3}}}} {3 \ hbar qE}} \ right)} = K_ {1} {{| E | ^ {2}} \ over \ Phi} \ cdot e ^ {- K_ {2} \ cdot \ Phi ^ {3 \ over 2} / | E |}}$

Med

• ${\ displaystyle h}$: Plancks handlingskvantum
• ${\ displaystyle q}$: Ladning av tunnelpartikkelen
• ${\ displaystyle m}$: effektiv masse i dielektrikumet
• ${\ displaystyle m ^ {*}}$: effektiv masse i lastbæreren
• ${\ displaystyle E}$: elektrisk feltstyrke
• ${\ displaystyle K_ {1}}$, : parametere litt avhengig av materiale - "konstanter"${\ displaystyle K_ {2}}$
• ${\ displaystyle \ Phi}$: Arbeidsjobb

Tunnelstrømtettheten ifølge Fowler og Nordheim indikerer tunnelstrømmen forårsaket av det ytre elektriske feltet per tverrsnittsareal i ampere per kvadratmeter (A / m²). For å få den faktiske strømmen i ampere, må man multiplisere uttrykket ovenfor med tverrsnittsområdet som strømmen passerer gjennom.

Se også

• Topputslipp

Individuelle bevis

1. ^ ^{A b} R. H. Fowler, L. Nordheim: Elektronemisjon i intense elektriske felt . I: Proceedings of the Royal Society of London. Serie A . teip 119 , nr. 781 , 1. april 1928, s. 173-181 , doi : 10.1098 / rspa.1928.0091 . 
2. ↑ Erwin W. Müller: Elektronmikroskopiske observasjoner av feltkatoder . I: Journal of Physics . teip 106 , nr. 9-10 , 1937, s. 541-550 , doi : 10.1007 / BF01339895 . 
3. ↑ OLED-konkurranse: De første FE-skjermene vil være tilgjengelige i slutten av 2009 . prad.de