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.

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.

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.

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.