Кіріспе
Термикалық эмиссия (сонымен қатар термикалық электрон эмиссиясы немесе Эдисон эффектісі деп те аталады) – электродтан оның температурасының әсерінен электрондардың босауы (жылумен берілген электрондардың шығарылуы). Бұл процесс заряд тасымалдаушыға берілген жылу энергиясы материалдың жұмыс функциясын басып өтуі нәтижесінде жүзеге асады. Заряд тасымалдаушылар электрондар немесе иондар болуы мүмкін, ал ескі әдебиеттерде оларды кейде термиондар деп атайды. Эмиссиядан кейін, сәуле шығаратын аймақта бастапқыда сәулеленген жалпы зарядқа тең және қарама-қарсы таңбалы заряд қалады. Бірақ егер эмитер батареяға қосылса, батареядан келетін заряд қалып қойған зарядты бейтараптандырады, шығарылған заряд тасымалдаушылар эмитерден алыстағанда, және соңында эмитер эмиссияға дейін болған күйіне оралады. Термикалық эмиссияның классикалық мысалы – ыстық катодтан вакуумдық түтікшедегі вакуумға электрондардың шығарылуы. Ыстық катод металл жіп, қапталған металл жіп немесе металлдан, өтпел металдардың карбидтерінен немесе боридтерінен жасалған жеке құрылым болуы мүмкін. Бұл процесс түрлі электрондық құрылғылардың жұмыс істеуі үшін маңызды және электр энергиясын өндіруге (мысалы, термиондық түрлендіргіштер мен электродинамикалық тізгіштер) немесе салқындатуға қолданылуы мүмкін. Заряд ағыны температураның артуымен күрт өседі. «Термикалық эмиссия» термині қазір кез келген жылумен қозған заряд шығару процесін, тіпті заряд бір қатты күйден екінші қатты күйге шығарылған кезде де білдіреді.
Thermionic emission (also known as thermal electron emission or the Edison effect) is the liberation of electrons from an electrode by virtue of its temperature (releasing of electrons supplied by heat). This occurs because the thermal energy given to the charge carrier overcomes the work function of the material. The charge carriers can be electrons or ions, and in older literature are sometimes referred to as thermions. After emission, a charge that is equal in magnitude and opposite in sign to the total charge emitted is initially left behind in the emitting region. But if the emitter is connected to a battery, the charge left behind is neutralized by charge supplied by the battery as the emitted charge carriers move away from the emitter, and finally the emitter will be in the same state as it was before emission. The classical example of thermionic emission is that of electrons from a hot cathode into a vacuum in a vacuum tube. The hot cathode can be a metal filament, a coated metal filament, or a separate structure of metal or carbides or borides of transition metals. Vacuum emission from metals tends to become significant only for temperatures over
This process is crucially important in the operation of a variety of electronic devices and can be used for electricity generation (such as thermionic converters and electrodynamic tethers) or cooling. The magnitude of the charge flow increases dramatically with increasing temperature. The term 'thermionic emission' is now also used to refer to any thermally excited charge emission process, even when the charge is emitted from one solid state region into another.
Тарих
Электрон 1897 жылы Дж. Дж. Томсонның еңбегіне дейін жеке физикалық бөлшек ретінде анықталмағандықтан, осы мерзімге дейін жасалған тәжірибелерді талқылау кезінде "электрон" сөзі қолданылмады. Бұл құбылысты алғаш рет 1853 жылы Эдмонд Беккерель баяндады. Оны 1873 жылы Фредерик Гатри Ұлыбританияда қайта ашты. Зарядталған денелермен жұмыс істеп жатып, Гатри теріс зарядталған қызыл ыстық темір шардың зарядын жоғалтатынын (біраз ауаға шығару арқылы) анықтады. Сондай-ақ, шар оң зарядталған болса, мұндай құбылыс болмайтынын да анықтады. Басқа ертегі үлескерлерге Иоганн Вильгельм Хитторф (1869–1883), Эуген Гольдштейн (1885) және Юлиус Элстер мен Ханс Фридрих Гейтель (1882–1889) кірді. Эффектті Томас Эдисон 1880 жылдың 13 ақпанында қайта ашты. Ол шамдардың жіптерінің үзілу себебін және шамдардың шамдарының тепе-тең емес қараюын (жіптің оң жағындағы ең қараңғысы) анықтауға тырысты. Эдисон бірнеше эксперименталды шамдар жасады, олардың ішінде қосымша сым, металл пластина немесе фольга болды, ол жіптен бөлек болды және электрод ретінде қызмет ете алатын. Ол электр тогын өлшейтін гальванометрді қосымша металл электродтың шығысына қосты. Егер фольганың электр потенциалы жіпке қатысты теріс болса, жіп пен фольга арасында өлшенетін ток болмады. Фольга жіпке қатысты оң потенциалға көтерілген кезде, егер жіп жеткілікті түрде қыздырылса (өз сыртқы қуат көзімен), вакуум арқылы жіптен фольгаға айтарлықтай ток өтуі мүмкін. Қазір біз жіп электрондарды шығаратынын білеміз, олар оң зарядталған фольгаға тартылады, бірақ теріс зарядталған фольгаға емес. Бұл бір бағытты ток Эдисон эффектісі деп аталды (бірақ бұл термин кейде термоиондық эмиссияның өзіне қатысты қолданылады). Ол қызған жіптен шығарылатын ток кернеудің артуымен тез өсетінін анықтады және 1883 жылдың 15 қарашасында кернеуді реттейтін құрылғыға патент алу үшін өтініш берді (АҚШ патенті 307,031, электрондық құрылғыға арналған алғашқы АҚШ патенті). Ол құрылғы арқылы жеткілікті ток өтіп, телеграфты іске қосуға болатынын анықтады. Бұл 1884 жылдың қыркүйегінде Филадельфияда өткен Халықаралық электр көрмесінде көрсетілді. Британ ғалымы Уильям Прис Эдисон эффектісінің бірнеше шамдарын алып кетті. Ол 1885 жылы олар туралы мақала жариялады, онда термоиондық эмиссияны "Эдисон эффектісі" деп атады. Британ физигі Джон Амброз Флеминг британдық "Сымсыз телеграфия" компаниясында жұмыс істеп, Эдисон эффектісін радио толқындарын анықтау үшін пайдалануға болатынын анықтады. Флеминг 1904 жылдың 16 қарашасында патент алған диод деп аталатын екі элементті вакуумдық түтікті жасады. Термиондық диодты жылу айырмасын қозғалмалы бөлшектерсіз тікелей электр қуатына айналдыратын құрылғы ретінде де құрастыруға болады (термиондық түрлендіргіш, жылу қозғалтқышының түрі).
Ричардсон заңы
1897 жылы Дж. Дж. Томсон электронды анықтағаннан кейін, британдық физик Оуэн Уилланс Ричардсон кейіннен «термиондық эмиссия» деп атаған тақырыпта жұмыс істей бастады. 1928 жылы ол «термиондық құбылыс бойынша жұмысы үшін, әсіресе оның атымен аталатын заңды ашқаны үшін» физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Қолданыс теориясы бойынша, қатты денедегі әрбір атомға бір немесе екі электрон болады, олар атомнан атомға еркін қозғалады. Бұл кейде «электрон теңізі» деп аталады. Олардың жылдамдықтары біркелкі емес, статистикалық үлестірімге бағынады, сондықтан кейде электрон металдан шығу үшін жеткілікті жылдамдыққа ие болады және кері тартылмайды. Электронның беттен шығуына қажетті ең төменгі энергия жұмыс функциясы деп аталады. Жұмыс функциясы материалдың қасиетіне тән және көптеген металдар үшін бірнеше электронвольтқа тең. Термиондық токты жұмыс функциясын төмендету арқылы арттыруға болады. Бұл жиі қажетті мақсатқа түрлі оксидтік жабындарды сымға жағу арқылы қол жеткізіледі. 1901 жылы Ричардсон тәжірибелерінің нәтижелерін жариялады: қыздырылған сымнан шыққан ток сымның температурасына экспоненциалды түрде тәуелді болып көрінді, математикалық түрі Аррениус теңдеуіне ұқсас. Кейін ол эмиссия заңының математикалық түрі мынадай болуы керек деп ұсынды: мұнда m және e – электронның массасы және заряды, ал h – Планк тұрақтысы. Шындығында, 1930 жылға қарай электронның толқындық сипатына байланысты, шығып бара жатқан электронның бір бөлігі эмитер бетіне жеткенде кері шағылысады, сондықтан эмиссия тогының тығыздығы төмендейді және λR мәні (1-rav) болады деген келісімге келді. Сондықтан термиондық эмиссия теңдеуі кейде мынадай түрде жазылады: Дегенмен, Модинос жасаған қазіргі теориялық зерттеулер эмиссиялық материалдың энергиялық аймақтарының құрылымын да ескеру қажет екенін көрсетеді. Бұл λR-ге λB екінші түзету коэффициентін қосады, ал «жалпыланған» AG коэффициентінің эксперименталдық мәндері әдетте A0-қа жуық болады, бірақ әртүрлі эмиссиялық материалдар арасында және бір материалдың әртүрлі кристаллографиялық жазықтықтары арасында айтарлықтай өзгешеленуі мүмкін. Бұл эксперименталдық айырмашылықтарды, кем дегенде сапалық тұрғыдан, λR мәнінің өзгешелігімен түсіндіруге болады. Бұл саланың әдебиетінде шатасудың себебі: (1) көптеген дереккөздер AG мен A0 арасында айырма жасамайды, жай ғана A символын (кейде «Ричардсон тұрақтысы» деп аталады) қолданады; (2) λR түзету коэффициенті бар және жоқ теңдеулердің екеуі де бірдей атаумен беріледі; және (3) осы теңдеулердің әртүрлі атаулары бар, мысалы «Ричардсон теңдеуі», «Дюшман теңдеуі», «Ричардсон-Дюшман теңдеуі» және «Ричардсон-Лауэ-Дюшман теңдеуі». Әдебиетте элементарлы теңдеу кейде жалпыланған теңдеудің орындырақ болатын жағдайларда қолданылады, бұл шатасуға себеп болуы мүмкін. Дұрыс түсініктіру үшін кез келген «A сияқты» символдың мағынасы әрқашан қатысты негізгі шамалар тұрғысынан нақты анықталуы керек. Экспоненциалдық функцияға байланысты ток kT W-ден кішкентай болғанда температурамен тез өседі. (Іс жүзінде барлық материалдар үшін балқу kT = W-ден бұрын болады.) Термиондық эмиссия заңы жақында әртүрлі модельдерде 2D материалдар үшін қайта қарастырылды.
where m and are the mass and charge of an electron, respectively, and h is Planck's constant. In fact, by about 1930 there was agreement that, due to the wave like nature of electrons, some proportion rav of the outgoing electrons would be reflected as they reached the emitter surface, so the emission current density would be reduced, and λR would have the value (1 rav). Thus, one sometimes sees the thermionic emission equation written in the form:
However, a modern theoretical treatment by Modinos assumes that the band structure of the emitting material must also be taken into account. This would introduce a second correction factor λB into λR, giving Experimental values for the "generalized" coefficient AG are generally of the order of magnitude of A0, but do differ significantly as between different emitting materials, and can differ as between different crystallographic faces of the same material. At least qualitatively, these experimental differences can be explained as due to differences in the value of λR. Considerable confusion exists in the literature of this area because: (1) many sources do not distinguish between AG and A0, but just use the symbol A (and sometimes the name "Richardson constant") indiscriminately; (2) equations with and without the correction factor here denoted by λR are both given the same name; and (3) a variety of names exist for these equations, including "Richardson equation", "Dushman's equation", "Richardson–Dushman equation" and "Richardson–Laue–Dushman equation". In the literature, the elementary equation is sometimes given in circumstances where the generalized equation would be more appropriate, and this in itself can cause confusion. To avoid misunderstandings, the meaning of any "A like" symbol should always be explicitly defined in terms of the more fundamental quantities involved. Because of the exponential function, the current increases rapidly with temperature when kT is less than W. (For essentially every material, melting occurs well before kT = W.)
The thermionic emission law has been recently revised for 2D materials in various models.
Шоткидің эмиссиясы
Электрондарды шығаратын құрылғыларда, әсіресе электрондық қаруларда, термиондық электронды эмитер айналасындағы ортаға қатысты теріс потенциалмен болады. Бұл эмитер бетінде E шамасындағы электр өрісін тудырады. Егер өріс болмаса, Ферми деңгейінен қашып шығуға тырысатын электрон үшін беттік кедергінің биіктігі W, жергілікті жұмыс функциясына тең болады. Электр өрісі беттік кедергіні ΔW мөлшеріне дейін төмендетеді және эмиссиялық токты арттырады. Бұл құбылыс Шотки эффектісі (Уолтер Х. Шоткидің құрметіне аталған) немесе өріс күшейткен термиондық эмиссия деп аталады. Оны Ричардсон теңдеуін қарапайым өзгерту арқылы модельдеуге болады, W орнына (W − ΔW) қою арқылы. Бұл келесі теңдеуді береді, мұнда ε0 – электр тұрақтысы (бұрын вакуумдық диэлектрлік өтімділік деп те аталатын). Осы өзгертілген теңдеу қолданылатын өріс және температура режимінде жүзеге асатын электрондық эмиссия көбінесе Шотки эмиссиясы деп аталады. Бұл теңдеу шамамен 108 В/м-ден төмен электр өрісінің күші үшін салыстырмалы түрде дәл. Электр өрісінің күші 108 В/м-ден жоғары болғанда, Фоллер-Нордхайм (FN) туннельдеуі маңызды эмиссиялық токқа үлес қоса бастайды. Бұл режимде өріс күшейткен термиондық және өрістік эмиссияның біріккен әсерін термо-өрістік (TF) эмиссиясы үшін Мерфи-Гуд теңдеуі арқылы модельдеуге болады. Тіпті жоғары өрістерде FN туннельдеу электрондық эмиссияның басым механизміне айналады, ал эмитер «салқын өрісті электрондық эмиссия (CFE)» режимінде жұмыс істейді. Термиондық эмиссияны жарық сияқты басқа да қоздыру түрлерімен өзара әрекеттесу арқылы күшейтуге болады. Мысалы, термиондық түрлендіргіштердегі қозу орын алған Cs булары Cs Ридберг материясының кластерлерін құрайды, бұл коллектордың эмиссиялық жұмыс функциясын 1,5 эВ-тан 1,0–0,7 эВ-қа дейін төмендетеді. Ридберг материясының ұзақ өмір сүруіне байланысты, бұл төмен жұмыс функциясы төмен деңгейде қалады, бұл төмен температуралық түрлендіргіштің тиімділігін арттырады.
where ε0 is the electric constant (also, formerly, called the vacuum permittivity). Electron emission that takes place in the field and temperature regime where this modified equation applies is often called Schottky emission. This equation is relatively accurate for electric field strengths lower than about 108 V m−1. For electric field strengths higher than 108 V m−1, so called Fowler Nordheim (FN) tunneling begins to contribute significant emission current. In this regime, the combined effects of field enhanced thermionic and field emission can be modeled by the Murphy Good equation for thermo field (T F) emission. At even higher fields, FN tunneling becomes the dominant electron emission mechanism, and the emitter operates in the so called "cold field electron emission (CFE)" regime. Thermionic emission can also be enhanced by interaction with other forms of excitation such as light. For example, excited Cs vapours in thermionic converters form clusters of Cs Rydberg matter which yield a decrease of collector emitting work function from 1.5 eV to 1.0–0.7 eV. Due to long lived nature of Rydberg matter this low work function remains low which essentially increases the low temperature converter's efficiency.
Фотондармен күшейтілген термиондық эмиссия
Фотондармен күшейтілген термоиондық эмиссия (PETE) – Стэнфорд университетінің ғалымдары әзірлеген, электр энергиясын өндіру үшін күн сәулесі мен жылуын пайдаланатын процесс. Ол күн энергиясын өндіру тиімділігін қазіргі деңгейден екі еседен астам арттырады. Бұл процесс үшін жасалған құрылғы 200 °C-тан жоғары температурада максималды тиімділікке жетеді, ал көптеген кремний күн элементтері 100 °C-қа жеткеннен кейін белсенділігін жояды. Мұндай құрылғылар 800 °C-қа дейін температураға жететін параболалық табақ коллекторларында ең жақсы жұмыс істейді. Команда дәлелдеу үшін галлий нитрид жартылай өткізгішін қолданған, бірақ галлий арсенидін пайдалану құрылғының тиімділігін 55–60 пайызға дейін – қазіргі жүйелерге қарағанда үш есеге жуық, ал 43 пайыздық көп қиылысты күн элементтерінен 12–17 пайызға артық деуге болады.