Кіріспе

Электростатикалық өріспен туындаған электронды эмиссия, өріс электронды эмиссиясы деп те аталады, сондай-ақ өріс эмиссиясы (FE) және электронды өріс эмиссиясы – электростатикалық өріс әсерінен туындаған электронды эмиссия. Көбінесе қатты беттен вакуумға болатын эмиссия қарастырылады. Дегенмен, өріс эмиссиясы қатты немесе сұйық беттерден вакуумға, сұйықтыққа (мысалы, ауаға) немесе өткізбейтін немесе нашар өткізгіш диэлектрикке де жүруі мүмкін. Жартылай өткізгіштерде электрондардың валенттік белдеуден өткізгіштік белдеуге өріс арқылы жылжуы (Зенер эффектісі) де өріс эмиссиясының бір түрі саналады. Бұл терминологияның тарихи себебі бар, себебі байланысты құбылыстар – беттік фотоэффект, термиондық эмиссия (немесе Ричардсон-Душман эффектісі) және «салқын электронды эмиссия», яғни электрондардың күшті статикалық (немесе квазистатикалық) электр өрістерінде эмиссиясы 1880 жылдардан 1930 жылдарға дейін жеке-жеке ашылып, зерттелді. Егер өріс эмиссиясы ерекше белгілемелерсіз қолданылса, әдетте «салқын эмиссия» дегенді білдіреді. Таза металдарда өріс эмиссиясы жоғары электр өрістерінде болады: градиенттері әдетте метрге 1 гигавольттан асып, жұмыс функциясына күшті түрде тәуелді. Өріс эмиссиясына негізделген электрондық көздердің көптеген қолданыс орындары болғанымен, көбінесе өріс эмиссиясы вакуумның бұзылуына және электрлік разряд құбылыстарына себеп болатын негізгі фактор болып табылады, ал инженерлер осыны болдырмауға тырысады. Беттік өріс эмиссиясының қолданыс мысалдарына жоғары ажыратымды электронды микроскоптар үшін жарқын электрондық көздерді құру немесе ғарыш аппараттарынан индукцияланған зарядтарды шығару жатады. Индукцияланған зарядтарды жоятын құрылғылар зарядты бейтараптандырғыштар деп аталады. Өріс эмиссиясы 1920 жылдардың соңында электрондардың кванттық туннельдеуі арқылы түсіндірілді. Бұл жаңа пайда болған кванттық механиканың маңызды жетістіктерінің бірі болды. Ральф Х. Фаулер және Лотар Вольфганг Нордхайм металлдан өріс эмиссиясының теориясын ұсынды. Олардың құрметіне «Фаулер-Нордхайм теңдеулері» деп аталатын жуық теңдеулер тобы бар. Қатаң айтқанда, Фаулер-Нордхайм теңдеулері тек металлдан және (тиісті түзетулермен) басқа кристаллды қатты денелерден өріс эмиссиясына қолданылады, бірақ олар көбінесе басқа материалдардан өріс эмиссиясын сипаттау үшін шамамен қолданылады.

Терминология және конвенциялар

Далалық электронды эмиссия, далалық индукцияланған электронды эмиссия, далалық эмиссия және электронды далалық эмиссия – бұл эксперименттік құбылыс пен оның теориясының жалпы атаулары. Бұл жерде бірінші атау қолданылады. Фоулер–Нордхайм туннельдеуі – өте жоғары электр өрісін қолдану арқылы электрон өткізгіштің бетінде қалыптасқан дөңгелектелген үшбұрышты тосқауыл арқылы электрондардың толқындық-механикалық туннельдеуі. Жеке электрондар әртүрлі жағдайларда көптеген материалдардан Фоулер–Нордхайм туннельдеуі арқылы босап шығуы мүмкін. Суық далалық электронды эмиссиясы (СДЭЭ) – бұл нақты бір статистикалық эмиссия режиміне берілген атау, онда эмиттердегі электрондар бастапқыда ішкі термодинамикалық тепе-теңдікте болады, ал эмиссияланатын электрондардың көпшілігі эмиттердің Ферми деңгейіне жақын электрондық күйлерден Фоулер–Нордхайм туннельдеуі арқылы босап шығады. (Шотки эмиссиялық режимімен салыстырғанда, электрондардың көпшілігі Ферми деңгейінен жоғары күйлерден, өріс азайтылған тосқауылдан шығады.) Көптеген қатты және сұйық материалдар тиісті мөлшерде электр өрісі қолданылса, СДЭЭ режимінде электрондарды эмиссиялай алады. Фоулер–Нордхайм типіндегі теңдеулер – бұл ірі металдардағы ішкі электрондық күйлерден СДЭЭ-ні сипаттау үшін туындыланған жуық теңдеулердің жиынтығы. Отбасының әр түрлі мүшелері шындыққа әртүрлі дәрежеде жуықтауды көрсетеді. Жуық теңдеулердің қажеттілігі туннельдік тосқауылдың физикалық нақты модельдері үшін Шредингер теңдеуін қарапайым жолмен дәл шешудің математикалық тұрғыдан мүмкін еместігімен байланысты. Теориялық тұрғыдан, Фоулер–Нордхайм типіндегі теңдеулердің кристаллды қатты денелерден басқа материалдардың далалық эмиссиясын дұрыс сипаттайтынына сенуге негіз жоқ. Металдар үшін СДЭЭ режимі бөлме температурасынан әлдеқайда жоғары температураларда да қолданылады. Басқа да электронды эмиссия режимдері бар (мысалы, "термиялық электронды эмиссия" және "Шотки эмиссиясы"), олар эмиттерді қатты қыздыруды қажет етеді. Сондай-ақ, ішкі электрондар термодинамикалық тепе-теңдікте болмайтын және эмиссиялық ток электронмен жабдықталу арқылы ішінара немесе толығымен анықталатын эмиссия режимдері де бар. Мұндай тепе-теңсіз эмиссия процесін, егер электрондардың көпшілігі туннельдеу арқылы босап шықса, далалық (электрондық) эмиссия деп атауға болады, бірақ қатаң айтқанда, ол СДЭЭ емес және Фоулер–Нордхайм типіндегі теңдеумен дәл сипатталмайды. Кейбір жағдайларда (мысалы, ғарыш кемелерін жасауда), "далалық эмиссия" атауы электрондар емес, иондардың (далалық иондық эмиссия) далалық индукцияланған эмиссиясына қатысты қолданылуы мүмкін, сондай-ақ кейбір теориялық контекстерде "далалық эмиссия" термині электрондық және иондық далалық эмиссияны қамтитын жалпы атау ретінде қолданылады. Тарихи тұрғыдан алғанда, далалық электронды эмиссия құбылысы әртүрлі атаулармен белгілі болған, соның ішінде "аэона эффектісі", "автоэлектрондық эмиссия", "суық эмиссия", "суық катодтық эмиссия", "далалық эмиссия", "далалық электронды эмиссия" және "электронды далалық эмиссия". Бұл мақаладағы теңдеулер Халықаралық шамалар жүйесі (ISQ) арқылы жазылған. Бұл 1970-жылдардан кейінгі заманауи халықаралық жүйе, ол СИ бірліктерін анықтау үшін қолданылатын рационалдастырылған метр-килограмм-секунд (rmks) теңдеулер жүйесіне негізделген. Ескі далалық эмиссия әдебиеттерінде (және әдебиеттерден тікелей теңдеулерді көшіретін мақалаларда) кейбір теңдеулер көне теңдеулер жүйесіне сәйкес жазылуы мүмкін, онда ε0 шамасы қолданылмайды. Бұл мақалада барлық теңдеулер қазіргі заманғы халықаралық пішінге аударылды. Түсініктілік үшін, мұны әрқашан жасау керек. Жұмыс функциясы әдетте электронвольт (eV) бірлігінде беріледі, ал өрістерді вольт/нанометр (V/nm) бірлігінде өлшеу ыңғайлы болғандықтан, көптеген әмбебап тұрақтылардың мәндері eV, V және nm бірліктерін қамтитын түрде берілген. Бұл далалық эмиссияны зерттеуде жиі қолданылатын тәжірибе. Дегенмен, мұндағы барлық теңдеулер ISQ-мен үйлесімді және заманауи халықаралық жүйе талап ететіндей өлшемдік тұрғыдан дұрыс. Олардың мәртебесін көрсету үшін әмбебап тұрақтылардың сандық мәндері жеті маңызды санға дейін берілген. Мәндер 2006 жылғы негізгі тұрақтылардың мәндерін пайдаланып есептелген.

Электрондар шығарындысының алғашқы тарихы

Электрондардың өрістегі эмиссиясының ұзақ, күрделі және қиын тарихы бар. Бұл бөлім 1928 жылы Фоулер–Нордхейм типіндегі теңдеудің түпнұсқасы туындағанға дейінгі ерте тарихты қамтиды. Кері көріп қарағанда, 1744 жылы Дж. Х. Винклер баяндаған электр разрядтары оның сым электродынан КӨЭ (контактілі электрондық эмиссия) арқылы басталуы мүмкін. Дегенмен, мағыналы зерттеулер 1897 жылы Дж. Дж. Томсонның электронды анықтағаннан кейін және жылудық эмиссия мен фотоэмиссия жұмысынан электрондар металдардың ішінде (үстіңгі бетке сіңген газ молекулаларынан емес) эмиссияланатыны, ал қолданылған өріс болмағанда металдардан қашып шыққан электрондар жұмыс функциясының кедергісін жеңуі керектігі түсінілгеннен кейін ғана күтуге тура келді. Өріс индуцирленген эмиссия жеке физикалық эффект екені кем дегенде 1913 жылдан бері күдік тудырды. Алайда, бұл жақсы қалыптасқаннан кейін ғана вакуум және үлгіні тазалау техникасы айтарлықтай жақсарды. Лилиенфельд (негізінен медициналық рентген сәулелерін қолдану үшін электрон көздеріне қызығушылық танытқан) 1922 жылы ағылшын тілінде "автоэлектрондық эмиссия" деп атаған эффектінің эксперименталды феноменологиясының алғашқы нақты есебін жариялады. Ол Лейпцигте осы тақырыпта 1910 жылдан бері жұмыс істеген. Клейнт осы және басқа да ертедегі еңбектерді сипаттайды. 1922 жылдан кейін эксперименталды қызығушылық артты, әсіресе Милликан басшылық еткен Калифорния технология институтында (Caltech) Пасаденада, Калифорнияда және Госслинг басшылық еткен Лондондағы General Electric компаниясында. Автоэлектрондық эмиссияны түсіну үшін эксперименталды ток-кернеу (i–V) деректерін әртүрлі жолдармен кестеге түсіру, тура сызық қатынасын іздеу. Ток кернеумен сызықтық емес, жылдам өсті, бірақ log(i) vs. V типті графиктер тура емес еді. Уолтер Х. Шоттки 1923 жылы эффектінің жылулық эмиссияға байланысты болуы мүмкін екенін ұсынды. Егер солай болса, онда log(i) vs. 1/V графиктер тура болуы керек, бірақ олар тура емес еді. Шотткидің түсіндірмесі КӨЭ-де температураға тәуелділіктің өте әлсіз екендігі туралы эксперименталды байқаумен үйлесімсіз. Жаңалық К. К. Лаурицен (және Дж. Роберт Оппенгеймер дербес) log(i) vs. 1/V графиктер жақсы тура сызықтар беретінін тапқанда келді. Бұл нәтиже 1928 жылдың басында Милликан мен Лаурицен жариялаған, ол Фоулер мен Нордхеймге белгілі болды. Оппенгеймер атомдардан электрондардың өріс тудырған туннельдеуі (қазір өрістік иондау деп аталатын эффект) осы i(V) тәуелділігіне ие болатынын болжаған, бұл тәуелділікті Милликан мен Эйрингтің жарияланған эксперименталды өрістік эмиссия нәтижелерінен тапқан және КӨЭ беткі металл атомдарындағы атомға ұқсас орбитальдардан электрондардың өріс тудырған туннельдеуінен туындайтынын ұсынған. Балама Фоулер–Нордхейм теориясы Милликан–Лауриценнің тұжырымын және токтың температураға тәуелділігінің өте әлсіздігін түсіндірді. Фоулер–Нордхейм теориясы екеуінің де салдары болатынын болжады, егер КӨЭ қазір біз металл өткізгіштік жолағын атайтын еркін электрондық типтегі күйлерден өріс тудырған туннельдеуге байланысты болса, электрондық күйлер Ферми–Дирак статистикасына сәйкес орналасқан. Оппенгеймердің өз теориясының математикалық егжей-тегжейі өте дұрыс емес еді. Сондай-ақ, Фоулер–Нордхейм теориясы КӨЭ тогының тығыздығы үшін берген соңғы теңдеуде шағын сандық қате болды: бұл 1929 жылы Стриктлидің мақаласында түзетілді. Қатаң айтқанда, егер Фоулер–Нордхейм 1928 теориясындағы кедергі өрісі қолданылатын кернеуге дәл пропорционалды болса, ал эмиссия ауданы кернеуге тәуелсіз болса, онда Фоулер–Нордхейм 1928 теориясы (log(i/V2) vs. 1/V) пішініндегі графиктер тура сызықтар болуы керек деп болжайды. Алайда, қазіргі эксперименталды техникалар Фоулер–Нордхейм теориялық нәтижесі мен Милликан–Лаурицен эксперименталды нәтижесі арасында айырмашылық жасау үшін жеткіліксіз болды. Осылайша, 1928 жылға қарай КӨЭ-нің көлемді металдардан шығу тегі туралы негізгі физикалық түсінікке қол жеткізілді және Фоулер–Нордхейм типіндегі теңдеу туындады. Әдебиетте жиі Фоулер–Нордхейм жұмысы толқын механикасы болжағандай, электрондық туннельдің бар екендігінің дәлелі ретінде ұсынылады. Бұл дұрыс болса да, толқын механикасының жарамдылығы 1928 жылға қарай кеңінен қабылданды. Фоулер–Нордхейм мақаласының маңызды рөлі сол болды, ол Ферми–Дирак статистикасы металдардағы электрондардың мінез-құлқына қолданылған эксперименталдық дәлелді дәлелдеді, бұл туралы 1927 жылы Сомерфельд ұсынған. Фоулер–Нордхейм теориясының табысы Сомерфельдтің идеяларының дұрыстығын растады және қазіргі заманғы электрондық жолақ теориясын құруға үлкен көмек көрсетті. Атап айтқанда, түпнұсқа Фоулер–Нордхейм типіндегі теңдеу электрондық спиннің болуының статистикалық-механикалық салдарларын конденсирленген заттың эксперименталдық эффектінің теориясына бірінші болып енгізгендердің бірі болды. Фоулер–Нордхейм мақаласы өріс тудырған және жылулық эмиссияны біріктірілген қарастырудың физикалық негізін де орнатты. 1928 жылға дейін металдарда екі типті электрон, "термиондар" және "өткізгіштік электрондар" бар деген гипотеза болды, және жылулық эмиссия тогы термиондардың эмиссиясына байланысты болды, бірақ өрістік эмиссия тогы өткізгіштік электрондардың эмиссиясына байланысты болды. Фоулер–Нордхейм 1928 жұмысы термиондардың жеке ішкі электрон класы ретінде қажет емес екенін көрсетті: электрондар Ферми–Дирак статистикасына сәйкес орналасқан бір жолақтан шығуы мүмкін, бірақ температура мен қолданылған өріс жағдайларына қарай әртүрлі жолдармен эмиссияланады. Оппенгеймер, Фоулер және Нордхейм идеялары Джордж Гамов және Рональд В. Гурней мен Эдвард Кондонның 1928 жылдың соңында ядроның радиоактивті ыдырауының (альфа бөлшегінің туннельдеуі арқылы) теориясын дамытуына маңызды ықпал етті.

Далалық электронды микроскопия және оған байланысты негізгі білімдер

Жоғарыда айтылғандай, өрістегі электронды эмиссия бойынша алғашқы тәжірибелік жұмыстар (1910–1920) (сонымен қатар "өрістік эмиссиялық микроскоп" деп аталады). Бұл құралда электронды эмиттеріш өткір сым болып табылады, оның радиусы r. Бұл вакуумдық камерада, бейне детекторының (алғашқыда фосфорлы экран) қарсысында, одан R қашықтықта орналастырылады. Микроскоп экраны эмиттер шыңындағы ток тығыздығы J таралуының проекциялық бейнесін шамамен (R/r) ұлғайтумен, әдетте 10⁵ – 10⁶ есе көрсетеді. FEM зерттеулерінде шың радиусы әдетте 100 нм-ден 1 мкм-ге дейін болады. Физикалық нысан ретінде қарастырылғанда, өткір сымның ұшы "өрістік эмиттер", "ұшы" немесе (жақында) "Мюллер эмитері" деп аталады. Эмиттердің беті таза болғанда, бұл FEM бейнесі: (а) эмиттердің қандай материалдан жасалғанына; (б) материалдың ине/сым осіне қатысты бағытына; және (в) белгілі бір дәрежеде эмиттердің соңғы пішініне тән. FEM бейнесінде қараңғы аймақтар φ жергілікті жұмыс функциясы салыстырмалы түрде жоғары және/немесе жергілікті тосқауыл өрісі F салыстырмалы түрде төмен болған жерлерге, сондықтан J салыстырмалы түрде төменге сәйкес келеді; ал жарық аймақтар φ салыстырмалы түрде төмен және/немесе F салыстырмалы түрде жоғары болған жерлерге, сондықтан J салыстырмалы түрде жоғарыға сәйкес келеді. Бұл Фаулер–Нордхейм типіндегі теңдеулердің экспонентасымен күтілетін нәрсе [қ. (30) төменде]. Газ атомдарының қабаттарының (мысалы, оттегі) эмиттердің бетіне немесе оның бір бөлігіне адсорбциялануы, беттің осы бөлігінің жергілікті жұмыс функциясын өзгертетін беттік электр дипольдерін құруы мүмкін. Бұл FEM бейнесіне әсер етеді; сонымен қатар, жұмыс функциясының өзгеруін Фаулер–Нордхейм графигін пайдалану арқылы өлшеуге болады (төменде қараңыз). Осылайша, FEM беттік ғылымның алғашқы байқау құралы болды. Мысалы, 1960 жылдары FEM нәтижелері гетерогенді катализ талқылауларына маңызды үлес қосты. FEM сонымен қатар беттік атомдардың диффузиясын зерттеу үшін де қолданылған. Дегенмен, FEM қазір жаңа беттік ғылым әдістерімен толыққанды алмастырылды. FEM-ді дамыту және одан кейінгі тәжірибелердің салдарынан эмиттердің "таза" екенін (FEM бейнесін қарап) анықтау мүмкін болды, демек, ол басқа әдістермен белгіленгендей таза беттік жұмыс функциясын көрсетеді. Бұл стандартты Фаулер–Нордхейм типіндегі теңдеудің дұрыстығын тексеруге бағытталған эксперименттерде маңызды болды. Бұл тәжірибелер Фаулер–Нордхейм графигінен (төменде қараңыз) кернеудің тосқауыл өрісіне айналу коэффициенті β мәнін шығарды, вольфрамның таза беті үшін φ мәнін қабылдады және оны электронды микроскоптың эмиттер пішінінен және электростатикалық модельдеуден алынған мәндермен салыстырды. 10%-ға жуық келісімге қол жеткізілді. Тек соңғы кезде ғана салыстыруды керісінше жасау мүмкін болды, жақсы дайындалған зондты жақсы дайындалған бетке соншалықтай жақын келтіруге болады, параллель пластина геометриясын болжауға болады және айналу коэффициентін 1/W ретінде алуға болады, мұнда W – өлшенген зонд пен эмиттер арасындағы қашықтық. Пайда болған Фаулер–Нордхейм графигін талдау эмиттердің тәуелсіз белгілі жұмыс функциясына жақын жұмыс функциясының мәнін береді.

Далалық электронды спектроскопия (электрон энергиясын талдау)

Өрттен шығарылған электрондардың энергия бөлінісін өлшеу алғаш рет 1939 жылы хабарланды, ал Янг пен Мюллер шар тәрізді геометрияда өлшенген шаманың шығарылған электрондардың жалпы энергиясының (оның "жалпы энергия бөлінісі") үлестірілімі екенін тәжірибелік түрде растады. Бұл себебі, шар тәрізді геометрияда электрондар эмиттердегі бір нүктеге қатысты бұрыштық импульстің сақталуына жақын қозғалады. Сондықтан, эмиссия кезінде эмиттер бетіне параллель бағыттағы кез келген кинетикалық энергия, радиалды қозғалыс бағытына байланысты энергияға айналады. Энергия талдағышында өлшенетін нәрсе – эмиссия кезіндегі жалпы энергия. 1960 жылдары жоғары сезімтал электрон энергия талдағыштарының дамуымен жалпы энергия бөлінісінің ұсақ бөлшектерін өлшеу мүмкін болды. Бұл беттік физиканың ұсақ егжей-тегжейлерін көрсетеді, ал өрістік электрондық спектроскопия әдісі жаңа беттік ғылым әдістерімен ығыстырылмас бұрын біршама дамыды.

Электро-пуля көздері ретінде өрістегі электронды эмитерлер

Жоғары ажыратылысқа қол жеткізу үшін электрондық микроскоптарда және басқа электронды сәулелі құралдарда (электронды сәулелі литография сияқты қолданылатындарда) кішкентай, жарық және тұрақты электрондық көзді пайдалану тиімді. Мюллер эмиттерінің геометриялық құрылысына негізделген көздер осы екі критерийге жақсы сай келеді. Жеке атомды алғашқы рет 1970 жылы Крю, Уолл және Лангмор, ертедегі өрістік эмиссиялық қаруы бар сканерлеуші электрондық микроскопты қолданып, байқады. 1950 жылдардан бастап электрондық қаруларда қолданылатын өрістік эмиссия көздерін жетілдіруге көп күш салынды. [мысалы, DD53] Электр өрісінің әсерінен эмиттердегі жиналу арқылы немесе төмен жұмыс функциясы бар адсорбатты (әдетте цирконий оксиді – ZrO) (100) бағытындағы вольфрам эмиттерінің тегіс ұшына селективті түрде енгізу арқылы ось бойымен сәуле шығару әдістері әзірленді. Бөлме температурасында жұмыс істейтін көздердің кемшілігі – олар вакуумдық жүйенің қабырғаларынан келетін адсорбат молекулаларымен тез жабысып, эмиттерді уақыт-уақытпен жоғары температураға қыздыру арқылы тазалау қажеттігі. Бүгінде жоғары температурада жұмыс істейтін Мюллер эмиттеріне негізделген көздерді пайдалану кең таралған, олар Шотки эмиссиялық режимінде немесе температуралық-электр өрісі аралық режимінде жұмыс істейді. Көптеген қазіргі заманғы жоғары ажыратылысқа ие электрондық микроскоптар мен электрондық сәулелі құралдар Мюллер эмиттеріне негізделген электрондық көздерді қолданады. Қазіргі уақытта көміртек нанотүтікшелерін (КНТ) электрондық қарулар үшін өрістік эмиссия көздері ретінде әзірлеу жұмыстары жүргізілуде. Электрондық оптикалық құралдарда өрістік эмиссия көздерін пайдалану зарядталған бөлшектер оптикасының тиісті теорияларын және оған байланысты модельдеуді қажет етеді. Мюллер эмиттері үшін әртүрлі пішіндегі модельдер сыналып көрілді; Дайк, Тролан, Долан және Барнс 1953 жылы ұсынған «Сфера ортогональді конуста» (SOC) моделі ең жақсысы болып табылады. Визенер мен Эверхарт SOC эмиттері моделін пайдалана отырып, траекторияны іздеуді қамтитын маңызды симуляциялар жасады. Бүгінде Мюллер эмиттерінен өрістік эмиссияны модельдеу мүмкіндігі электрондық сәулелі құралдарды жобалау үшін қолданылатын коммерциялық электрондық оптика бағдарламаларына енгізіледі. Тиімді қазіргі заманғы өрістік эмиссиялық электрондық қаруды жобалау үшін жоғары мамандандырылған білім қажет.

Атомдық өткір сәуле шығарушылар

Қазіргі кезде өте өткір эмитерлерді, тіпті бір атомдық эмитерлерді дайындау мүмкін. Мұндай жағдайда электрондық эмиссия шамамен бір атомның кристаллографиялық мөлшерінен екі есе үлкен аумақтан жүзеге асады. Бұл факті FEM және өрістік иондық микроскоп (FIM) суреттерін салыстыру арқылы расталды. Бір атомдық төбесі бар Мюллер эмитерлері сканерлеуші зондты микроскопия және гелийлі сканерлеуші иондық микроскопия (He SIM) үшін де маңызды. Оларды дайындау технологиялары көп жылдар бойы зерттелді. Соңғы маңызды жетістік – He SIM қолдану үшін тример бұзылған жағдайда үш атомдық (“тример”) төбені бастапқы күйіне қайта келтірудің автоматтандырылған әдісін жасау. Кремний интегралды схема (КИ) өндіріс технологияларын пайдалана отырып, молибден конустары оксидті пленкадағы кішкентай цилиндр тәрізді ойыстарға орналастырылған, ал ойыстың үсті жағы орталық шеңберлік апертурасы бар қарсы электродпен жабылған, реттелген массивтер жасалды. Осы геометрия көміртек нанотүтікшелерімен де қолданылды. Басқа бір бастапқы құрылғы түрі – “Латам эмитері”. Бұл MIMIV (металл-оқшаулағыш-металл-оқшаулағыш-вакуум) немесе жалпы алғанда CDCDV (өткізгіш-диэлектрик-өткізгіш-диэлектрик-вакуум) құрылғылары, олар диэлектрлік пленкадағы өткізгіш бөлшектерді қамтиды. Құрылғының өрістік эмиссиясы оның микроқұрылымы/наноқұрылымының өріс күшейткіш қасиеттеріне байланысты болады. Бұл материалдың өндірістік артықшылығы бар, себебі оны “сия” ретінде сақтауға болады, сондықтан КИ өндіріс технологиялары қажет емес. Бірақ практикада біркелкі және сенімді құрылғыларды жасау қиын болды. Зерттеулер жақсарту қасиеттері бар жұқа пленкалар түрінде орналастырылатын немесе өсірілетін басқа материалдарды іздеуге бағытталды. Параллель пластиналар орналасуында пластиналар арасындағы “макроскопиялық” FM өрісі FM = V/W формуласымен сипатталады, мұнда W – пластиналар арасындағы қашықтық, ал V – қолданылатын кернеу. Егер бір пластинада өткір нысан жасалса, онда оның төбесіндегі жергілікті өріс F, FM-нен артық болады және оны FM-мен байланыстыруға болады. γ параметрі “өріс күшейту коэффициенті” деп аталады және негізінен нысанның пішінімен анықталады. Өрістік эмиссия сипаттамалары жергілікті өріс F-ке байланысты болғандықтан, нысанның γ мәні неғұрлым жоғары болса, эмиссияның маңызды деңгейіне жету үшін FM-нің мәні де соғұрлым төмен болады. Демек, W мәні белгілі болғанда, маңызды эмиссияны тудыру үшін қолданылатын кернеу V де соғұрлым төмен болады. 1990 жылдардың ортасынан бастап шамамен он жыл бойы аморфты және “алмазға ұқсас” көміртек пленкаларынан өрістік эмиссияға үлкен қызығушылық болды. Бірақ кейіннен қызығушылық азайды, себебі CNT эмитерлері пайда болды және эмиссия орындарының пайда болуының себебі әлі белгісіз бөлшекті көміртек нысандарымен байланысты болуы мүмкін екендігі анықталды: бұл өнеркәсіптік өндіріс процесінің сапасын бақылау қиын болуы мүмкін екенін көрсетеді. CNT өрістік эмитерлерінің енгізілуі”) және кең жолақты жартылай өткізгіштердің түрлі формалары зерттелді. Наноқұрылымдардың “жоғары γ” деңгейін және эмиссиялық орындардың жеткілікті жоғары тығыздығын дамыту мақсаты қойылды. Өрістік эмиссиялық электродтарды дамыту үшін нанотүтікшелердің желілері түріндегі жұқа пленкалар да қолданылады. Бұл желілердің өндіріс параметрлерін нақты реттеу арқылы эмиссиялық орындардың ең тиімді тығыздығына қол жеткізілетіні көрсетілді. Олар микротолқындық генерация, ғарыш кемелерін бейтараптандыру, рентген сәулелерін генерациялау және (массивтік көздер үшін) бірнеше электрондық сәулелі литография сияқты қолданыстарда қолданылады. Сондай-ақ, “пластикалық электроникаға” қатысты кең таралған тенденцияға сәйкес, иілгіш субстраттарда үлкен ауданда эмитерлерді дамытуға соңғы кезде талпыныстар жасалып жатыр. Мұндай қолданыстарды дамыту – вакуумдық наноэлектрониканың мақсаты. Бірақ өрістік эмитерлер жақсы ультра жоғары вакуум жағдайында тиімді жұмыс істейді. Олардың ең сәтті қолданылуы осы уақытқа дейін (FEM, FES және EM қарулары) осы жағдайларда жүзеге асты. Өкінішке орай, өрістік эмитерлер мен өнеркәсіптік вакуум жағдайлары үйлесімді емес, және осындай жағдайларда қолданылатын өрістік эмиссия көздерінің жақсы “вакуумдық тұрақтылығын” сенімді қамтамасыз етуге қатысты мәселелер әлі де жақсы шешімдерді (мүмкін, ақылды материалдық шешімдерді) күтуде.

Вакуумдық бөліну және электрлік разряд құбылыстары

Жоғарыда айтылғандай, қазіргі кезде өрістік электрондық эмиссияның ең алғашқы көріністері осы эмиссияның нәтижесінде туындаған электр разрядтары деп саналады. Фаулер-Нордхеймнің жұмысынан кейін, CFE вакуумның бұзылуы мен электр разряд құбылыстарының негізгі себептерінің бірі болуы мүмкін екендігі түсінілді. (Бұл құбылыстағы егжей-тегжейлі механизмдер мен жолдар өте күрделі болуы мүмкін, және жалпыға ортақ бір себеп жоқ.) Вакуумның бұзылуы катодтан электрондық эмиссиядан туындаған жағдайларда, бастапқы пікір бойынша, механизм өткізгіш, ине тәрізді беттік өспелерден CFE болды. Қажетсіз өрістік электрондық эмиссия тогын тудыруы мүмкін электродтардың бетін дөңгелету және тегістеу процедуралары қолданылды (және қолданылуда). Алайда, Латем және басқалардың жұмысы...

Кіріспе

Мақаланың келесі бөлімі металлдардан суық өрістегі электронды эмиссияның негізгі теориясын қарастырады. Бұл мәселені төрт негізгі кезеңде қарастыру тиімді, олар теориямен байланысты: (1) дөңгеленген үшбұрышты кедергі арқылы электронның туннельдеуін ескере отырып, "қашу ықтималдығы" формуласын шығару; (2) "жалпы энергия таралуын" алу үшін ішкі электрондық күйлер бойынша интегралдау; (3) эмиссиялық ток тығыздығын жергілікті кедергі өрісінің және жергілікті жұмыс функциясының функциясы ретінде алу үшін екінші интегралдау; (4) оны қолданылатын кернеудің функциясы ретінде ток формуласына түрлендіру. Үлкен ауданы бар эмитерлерге қажетті түзетілген теңдеулер және эксперименттік деректерді талдау мәселелері жеке қарастырылады. Фаулер–Нордхайм туннельдеуі – электронның нақты немесе дөңгеленген үшбұрышты кедергі арқылы толқындық-механикалық туннельдеуі. Екі негізгі жағдай қарастырылады: (1) электрон бастапқыда локалданып, белгілі бір күйде болғанда; (2) электрон бастапқыда күшті локалдануға ие болмағанда, оны жүретін толқын арқылы көрсету оңтайлы. Металл өткізгіштік аймағынан эмиссия екінші типке жатады, ал осы бөлімдегі талқылау осы жағдайға қатысты. Сондай-ақ, кедергі бір өлшемді (яғни, бүйірлік құрылымы жоқ) және "шашырау" немесе "резонанс" эффектісін тудыратын ұсақ құрылымдық ерекшеліктері жоқ деп есептеледі. Фаулер–Нордхайм туннельдеуін түсіндіруді салыстырмалы түрде қарапайым ету үшін осы шарттар қажет; бірақ материяның атомдық құрылымы ескерілмейді.