Введение
Выброс электронов, индуцированный электростатическим полем. Полевая эмиссия электронов, также известная как эмиссия поля (FE) и электронная полевая эмиссия, — это эмиссия электронов, вызванная электростатическим полем. Наиболее распространенным контекстом является 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. Полевое стимулирование перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводников (эффект Зенера) также можно рассматривать как форму полевой эмиссии. Терминология исторически сложилась, поскольку связанные явления — поверхностный фотоэффект, термоэлектронная эмиссия (или эффект Ричардсона — Душмана) и «холодная электронная эмиссия», то есть эмиссия электронов в сильных статических (или квазистатических) электрических полях, — были открыты и исследованы независимо друг от друга с 1880-х по 1930-е годы. Когда полевая эмиссия используется без уточнений, обычно подразумевается «холодная эмиссия». Полевая эмиссия в чистых металлах происходит при высоких 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 инженеры уделяют особое внимание. Примеры применения поверхностной полевой эмиссии включают создание ярких источников электронов для электронных микроскопов высокого разрешения или разрядку индуцированных зарядов с космических аппаратов. Устройства, предназначенные для устранения индуцированных зарядов, называются нейтрализаторами заряда. Полевая эмиссия была объяснена квантовым туннелированием электронов в конце 1920-х годов. Это стало одним из триумфов зарождающейся квантовой механики. Теория полевой эмиссии от массивных металлов была предложена Ральфом Фоулером и Лотаром Вольфгангом Нордхаймом. Семейство приближенных уравнений, уравнения Фаулера — Нордхайма, названо в их честь. Строго говоря, уравнения Фаулера — Нордхайма применимы только к полевой эмиссии от массивных металлов и (при соответствующей модификации) к другим массивным кристаллическим твердым телам, но они часто используются — как грубое приближение — для описания полевой эмиссии от других материалов.
Field electron emission, also known as field emission (FE) and electron field emission, is emission of electrons induced by an electrostatic field. The most common context is field emission from a solid surface into a vacuum. However, field emission can take place from solid or liquid surfaces, into a vacuum, a fluid (e. g. air), or any non conducting or weakly conducting dielectric. The field induced promotion of electrons from the valence to conduction band of semiconductors (the Zener effect) can also be regarded as a form of field emission. The terminology is historical because related phenomena of surface photoeffect, thermionic emission (or Richardson–Dushman effect) and "cold electronic emission", i. e. the emission of electrons in strong static (or quasi static) electric fields, were discovered and studied independently from the 1880s to 1930s. When field emission is used without qualifiers it typically means "cold emission". Field emission in pure metals occurs in high electric fields: the gradients are typically higher than 1 gigavolt per metre and strongly dependent upon the work function. While electron sources based on field emission have a number of applications, field emission is most commonly an undesirable primary source of vacuum breakdown and electrical discharge phenomena, which engineers work to prevent. Examples of applications for surface field emission include the construction of bright electron sources for high resolution electron microscopes or the discharge of induced charges from spacecraft. Devices which eliminate induced charges are termed charge neutralizers. Field emission was explained by quantum tunneling of electrons in the late 1920s. This was one of the triumphs of the nascent quantum mechanics. The theory of field emission from bulk metals was proposed by Ralph H. Fowler and Lothar Wolfgang Nordheim. A family of approximate equations, Fowler–Nordheim equations, is named after them. Strictly, Fowler–Nordheim equations apply only to field emission from bulk metals and (with suitable modification) to other bulk crystalline solids, but they are often used – as a rough approximation – to describe field emission from other materials.
Терминология и конвенции
Полевая эмиссия электронов, полевая индуцированная эмиссия, полевая эмиссия и электронная полевая эмиссия – общие названия этого экспериментального явления и его теории. Здесь используется термин "полевая эмиссия". Туннелирование Фаулера-Нордхайма – это волномеханическое туннелирование электронов через округлый треугольный барьер, созданный на поверхности электронного проводника при приложении очень высокого электрического поля. Отдельные электроны могут вырываться из многих материалов в различных условиях посредством туннелирования Фаулера-Нордхайма. Холодная полевая эмиссия электронов (CFE) – это название, данное конкретному статистическому режиму эмиссии, в котором электроны в излучателе изначально находятся во внутреннем термодинамическом равновесии, и в котором большинство испускаемых электронов выходят из электронных состояний, близких к уровню Ферми излучателя, посредством туннелирования Фаулера-Нордхайма. (В отличие от режима эмиссии Шоттки, где большинство электронов преодолевают вершину барьера, уменьшенного полем, из состояний, значительно превышающих уровень Ферми.) Многие твердые и жидкие материалы могут испускать электроны в режиме CFE при приложении электрического поля соответствующей величины. Уравнения типа Фаулера-Нордхайма – это семейство приближенных уравнений, выведенных для описания CFE из внутренних электронных состояний в массивных металлах. Различные члены семейства представляют собой различные степени приближения к реальности. Приблизительные уравнения необходимы, поскольку для физически реалистичных моделей туннельного барьера математически невозможно в принципе точно решить уравнение Шредингера каким-либо простым способом. Нет теоретических оснований полагать, что уравнения типа Фаулера-Нордхайма корректно описывают полевую эмиссию из материалов, отличных от массивных кристаллических твердых тел. Для металлов режим CFE простирается далеко за пределы комнатной температуры. Существуют и другие режимы эмиссии электронов (такие как "тепловая электронная эмиссия" и "эмиссия Шоттки"), которые требуют значительного внешнего нагрева излучателя. Существуют также режимы эмиссии, при которых внутренние электроны не находятся в термодинамическом равновесии, а эмиссионный ток частично или полностью определяется подачей электронов в излучающую область. Процесс эмиссии в неравновесных условиях такого рода может называться полевой (электронной) эмиссией, если большинство электронов выходят посредством туннелирования, но строго говоря, это не CFE и не точно описывается уравнением типа Фаулера-Нордхайма. Необходимо соблюдать осторожность, поскольку в некоторых контекстах (например, в космической технике) термин "полевая эмиссия" применяется к полевой индуцированной эмиссии ионов (полевой ионной эмиссии), а не электронов, и поскольку в некоторых теоретических контекстах "полевая эмиссия" используется как общий термин, охватывающий как полевую эмиссию электронов, так и полевую эмиссию ионов. Исторически явление полевой эмиссии электронов было известно под различными названиями, включая "эффект эона", "автоэлектронная эмиссия", "холодная эмиссия", "холодная катодная эмиссия", "полевая эмиссия", "полевая эмиссия электронов" и "электронная полевая эмиссия". Уравнения в этой статье написаны с использованием Международной системы величин (ISQ). Это современная (после 1970-х годов) международная система, основанная на рационализированной системе уравнений метр-килограмм-секунда (rmks), которая используется для определения единиц СИ. В более старой литературе по полевой эмиссии (и в работах, непосредственно копирующих уравнения из старой литературы) часто встречаются уравнения, использующие более старую систему уравнений, в которой не используется величина ε0. В этой статье все такие уравнения были преобразованы в современную международную форму. Для ясности это всегда следует делать. Поскольку функция работы обычно задается в электронвольтах (эВ), и часто удобно измерять поля в вольтах на нанометр (В/нм), значения большинства универсальных констант приводятся здесь в единицах, включающих эВ, В и нм. Это становится обычной практикой в исследованиях полевой эмиссии. Однако все уравнения здесь совместимы с ISQ и остаются размерно согласованными, как того требует современная международная система. Для указания их статуса числовые значения универсальных констант приводятся с семью значащими цифрами. Значения получены с использованием значений фундаментальных констант 2006 года.
Ранняя история полевой электронной эмиссии
Полевая электронная эмиссия имеет долгую, сложную и запутанную историю. В этом разделе рассматривается ранняя история, вплоть до вывода исходного уравнения типа Фаулера — Нордхайма в 1928 году. Оглядываясь назад, представляется вероятным, что электрические разряды, о которых сообщал Дж. Х. Винклер в 1744 году, были вызваны ПЭЭ с его проволочного электрода. Однако содержательные исследования пришлось отложить до идентификации электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, а также до понимания, полученного из работ по термоэмиссии и фотоэмиссии, что электроны могут испускаться изнутри металлов (а не от адсорбированных на поверхности газовых молекул) и что, в отсутствие приложенного поля, электронам, покидающим металлы, необходимо преодолеть потенциальный барьер работы выхода. По крайней мере, уже в 1913 году предполагалось, что полевая эмиссия является отдельным физическим эффектом. Однако это стало общепризнанным только после значительного улучшения методов вакуумирования и очистки образцов. Лилиенфельд (который в основном интересовался источниками электронов для медицинских рентгеновских установок) опубликовал в 1922 году первое четкое описание на английском языке экспериментальной феноменологии эффекта, который он назвал «автоэлектронной эмиссией». Он работал над этой темой в Лейпциге с примерно 1910 года. Клейнт описывает эти и другие ранние работы. После 1922 года экспериментальный интерес возрос, особенно в группах под руководством Милликана в Калифорнийском технологическом институте (Калтек) в Пасадене, Калифорния, и Гослинга в General Electric Company в Лондоне. Попытки понять автоэлектронную эмиссию включали построение экспериментальных вольт-амперных характеристик (ВАХ) различными способами для поиска линейной зависимости. Ток увеличивался с напряжением быстрее, чем линейно, но графики log(i) от V не были прямыми. Уолтер Х. Шоттки предположил в 1923 году, что эффект может быть обусловлен термически индуцированной эмиссией через барьер, уменьшенный полем. Если это так, то графики log(i) от 1/V должны быть прямыми, но они не были. Объяснение Шоттки также несовместимо с экспериментальным наблюдением очень слабой температурной зависимости ПЭЭ — момент, который изначально был упущен из виду. Прорыв произошел, когда К. К. Лауритсен (и независимо от него Дж. Роберт Оппенгеймер) обнаружили, что графики log(i) от 1/V дают хорошие прямые линии. Этот результат, опубликованный Милликаном и Лауритсеном в начале 1928 года, был известен Фаулеру и Нордхайму. Оппенгеймер предсказал, что туннелирование электронов из атомов (эффект, теперь называемый полевой ионизацией) будет иметь такую зависимость i(V), обнаружил эту зависимость в опубликованных экспериментальных результатах полевой эмиссии Милликана и Эйринга и предположил, что ПЭЭ обусловлена туннелированием электронов из атомных орбиталей в поверхностных атомах металла. Альтернативная теория Фаулера — Нордхайма объясняла как результаты Милликана — Лауритсена, так и очень слабую зависимость тока от температуры. Теория Фаулера — Нордхайма предсказала, что оба эти факта являются следствием туннелирования из состояний, подобных свободным электронам, в том, что мы теперь называем зоной проводимости металла, причем электронные состояния заняты в соответствии со статистикой Ферми — Дирака. Математические детали теории Оппенгеймера были серьезно неверны. Также была небольшая числовая ошибка в окончательном уравнении, данном теорией Фаулера — Нордхайма для плотности тока ПЭЭ: она была исправлена в статье 1929 года. Строго говоря, если барьерное поле в теории Фаулера — Нордхайма 1928 года точно пропорционально приложенному напряжению, а площадь эмиссии не зависит от напряжения, то теория Фаулера — Нордхайма 1928 года предсказывает, что графики вида log(i/V²) от 1/V должны быть точными прямыми линиями. Однако современные экспериментальные методы были недостаточно точными, чтобы различить теоретический результат Фаулера — Нордхайма и экспериментальный результат Милликана — Лауритсена. Таким образом, к 1928 году было достигнуто фундаментальное физическое понимание происхождения ПЭЭ из массивных металлов, и было получено исходное уравнение типа Фаулера — Нордхайма. В литературе работы Фаулера — Нордхайма часто представляются как доказательство существования электронного туннелирования, как это предсказано волновой механикой. Хотя это верно, обоснованность волновой механики в значительной степени была принята к 1928 году. Более важной ролью работы Фаулера — Нордхайма было то, что она представляла собой убедительный аргумент, основанный на эксперименте, о том, что статистика Ферми — Дирака применима к поведению электронов в металлах, как это было предложено Зоммерфельдом в 1927 году. Успех теории Фаулера — Нордхайма во многом способствовал подтверждению правильности идей Зоммерфельда и оказал большую помощь в установлении современной теории электронных зон. В частности, исходное уравнение типа Фаулера — Нордхайма было одним из первых, в котором были учтены статистико-механические последствия существования спина электрона в теории экспериментального эффекта в конденсированном состоянии. Работа Фаулера — Нордхайма также заложила физические основы для унифицированного рассмотрения полевой и термически индуцированной электронной эмиссии. До 1928 года предполагалось, что в металлах существуют два типа электронов — «термионы» и «электроны проводимости», и что термически эмитированные токи обусловлены эмиссией термионов, но полевые токи — эмиссией электронов проводимости. Работа Фаулера — Нордхайма 1928 года показала, что термионы не обязательно должны существовать как отдельный класс внутренних электронов: электроны могут происходить из одной зоны, занятой в соответствии со статистикой Ферми — Дирака, но будут испускаться статистически различными способами при различных условиях температуры и приложенного поля. Идеи Оппенгеймера, Фаулера и Нордхайма также стали важным стимулом для разработки Джорджем Гамовым и Рональдом У. Гёрни и Эдвардом Кондоном, позднее в 1928 году, теории радиоактивного распада ядер (путем альфа-частичного туннелирования).
(and J. Robert Oppenheimer independently) found that plots of log(i) vs. 1/V yielded good straight lines. This result, published by Millikan and Lauritsen in early 1928, was known to Fowler and Nordheim. Oppenheimer had predicted that the field induced tunneling of electrons from atoms (the effect now called field ionization) would have this i(V) dependence, had found this dependence in the published experimental field emission results of Millikan and Eyring, and proposed that CFE was due to field induced tunneling of electrons from atomic like orbitals in surface metal atoms. An alternative Fowler–Nordheim theory explained both the Millikan–Lauritsen finding and the very weak dependence of current on temperature. Fowler–Nordheim theory predicted both to be consequences if CFE were due to field induced tunneling from free electron type states in what we would now call a metal conduction band, with the electron states occupied in accordance with Fermi–Dirac statistics. Oppenheimer had mathematical details of his theory seriously incorrect. There was also a small numerical error in the final equation given by Fowler–Nordheim theory for CFE current density: this was corrected in the 1929 paper of
Strictly, if the barrier field in Fowler–Nordheim 1928 theory is exactly proportional to the applied voltage, and if the emission area is independent of voltage, then the Fowler–Nordheim 1928 theory predicts that plots of the form (log(i/V2) vs. 1/V) should be exact straight lines. However, contemporary experimental techniques were not good enough to distinguish between the Fowler–Nordheim theoretical result and the Millikan–Lauritsen experimental result. Thus, by 1928 basic physical understanding of the origin of CFE from bulk metals had been achieved, and the original Fowler–Nordheim type equation had been derived. The literature often presents Fowler–Nordheim work as a proof of the existence of electron tunneling, as predicted by wave mechanics. Whilst this is correct, the validity of wave mechanics was largely accepted by 1928. The more important role of the Fowler–Nordheim paper was that it was a convincing argument from experiment that Fermi–Dirac statistics applied to the behavior of electrons in metals, as suggested by Sommerfeld in 1927. The success of Fowler–Nordheim theory did much to support the correctness of Sommerfeld's ideas, and greatly helped to establish modern electron band theory. In particular, the original Fowler–Nordheim type equation was one of the first to incorporate the statistical mechanical consequences of the existence of electron spin into the theory of an experimental condensed matter effect. The Fowler–Nordheim paper also established the physical basis for a unified treatment of field induced and thermally induced electron emission. Prior to 1928 it had been hypothesized that two types of electrons, "thermions" and "conduction electrons", existed in metals, and that thermally emitted electron currents were due to the emission of thermions, but that field emitted currents were due to the emission of conduction electrons. The Fowler–Nordheim 1928 work suggested that thermions did not need to exist as a separate class of internal electrons: electrons could come from a single band occupied in accordance with Fermi–Dirac statistics, but would be emitted in statistically different ways under different conditions of temperature and applied field. The ideas of Oppenheimer, Fowler and Nordheim were also an important stimulus to the development, by George Gamow, and Ronald W. Gurney and Edward Condon, later in 1928, of the theory of the radioactive decay of nuclei (by alpha particle tunneling).
Полевая электронная микроскопия и связанные с ней основы
Как уже было указано, ранние экспериментальные работы по полевому электронному излучению (1910–1920) (также называемые «полевым эмиссионным микроскопом»). В этом приборе электронный излучатель представляет собой остроконечный проводник с радиусом вершины *r*. Он помещается в вакуумную камеру напротив детектора изображения (первоначально фосфорный экран) на расстоянии *R* от него. На экране микроскопа отображается проекционное изображение распределения плотности тока *J* по вершине излучателя с увеличением приблизительно (*R*/ *r*), обычно от 10⁵ до 10⁶. В исследованиях с использованием ФЭМ радиус вершины обычно составляет от 100 нм до 1 мкм. Острие заостренного проводника, рассматриваемое как физический объект, называется «полевым излучателем», «кончиком» или (в последнее время) «излучателем Мюллера». Когда поверхность излучателя чиста, это изображение ФЭМ характеризуется: (а) материалом, из которого изготовлен излучатель; (б) ориентацией материала относительно оси иглы/проводника; и (в) в некоторой степени формой торца излучателя. На изображении ФЭМ темные области соответствуют областям, где локальная работа выхода φ относительно высока и/или локальное барьерное поле *F* относительно низко, следовательно, *J* относительно низко; светлые области соответствуют областям, где φ относительно низка и/или *F* относительно высоко, следовательно, *J* относительно высоко. Это соответствует предсказаниям, основанным на показателе степени в уравнениях типа Фаулера — Нордхайма [см. уравнение (30) ниже]. Адсорбция слоев атомов газа (например, кислорода) на поверхность излучателя или ее часть может создавать поверхностные электрические диполи, которые изменяют локальную работу выхода этой части поверхности. Это влияет на изображение ФЭМ; кроме того, изменение работы выхода можно измерить с помощью графика Фаулера — Нордхайма (см. ниже). Таким образом, ФЭМ стал одним из первых инструментов для наблюдения за поверхностями. Например, в 1960-х годах результаты, полученные с помощью ФЭМ, внесли значительный вклад в обсуждение гетерогенного катализа. ФЭМ также использовался для изучения диффузии атомов по поверхности. Однако в настоящее время ФЭМ практически полностью вытеснен новыми методами исследования поверхностей. Развитие ФЭМ и последующие эксперименты позволили определять (по изображению ФЭМ) момент, когда излучатель становится «чистым» и, следовательно, демонстрирует работу выхода чистой поверхности, установленную другими методами. Это было важно в экспериментах, предназначенных для проверки справедливости стандартного уравнения типа Фаулера — Нордхайма. Эти эксперименты определяли значение коэффициента преобразования напряжения в барьерное поле β по графику Фаулера — Нордхайма (см. ниже), принимая значение работы выхода для чистого вольфрама, и сравнивали его со значениями, полученными из наблюдений формы излучателя и электростатического моделирования с помощью электронного микроскопа. Достигнуто согласие в пределах примерно 10%. Лишь недавно стало возможным провести сравнение в обратном порядке, приблизив хорошо подготовленный зонд к хорошо подготовленной поверхности настолько, чтобы можно было предположить геометрию, близкую к параллельным пластинам, и принять коэффициент преобразования равным 1/*W*, где *W* — измеренное расстояние между зондом и излучателем. Анализ полученного графика Фаулера — Нордхайма дает значение работы выхода, близкое к независимо известной работе выхода излучателя.
Полевая электронная спектроскопия (анализ энергии электронов)
Измерения распределения энергии электронов, испускаемых полем, впервые были опубликованы в 1939 году, а Янг и Мюллер экспериментально подтвердили, что измеряемая в сферической геометрии величина представляет собой распределение полной энергии испущенного электрона (его "полное распределение энергии"). Это объясняется тем, что в сферической геометрии электроны движутся таким образом, что угловой момент относительно точки на излучателе практически сохраняется. Следовательно, любая кинетическая энергия, направленная параллельно поверхности излучателя в момент испускания, преобразуется в энергию, связанную с радиальным направлением движения. Таким образом, энергетический анализатор измеряет полную энергию электрона в момент испускания. С развитием высокочувствительных анализаторов энергии электронов в 1960-х годах стало возможным измерять тонкие детали полного распределения энергии. Эти детали отражают особенности физики поверхности, и метод полевой электронной спектроскопии некоторое время успешно развивался, прежде чем его вытеснили более современные методы исследования поверхностей.
Излучатели полевых электронов в качестве источников электронной пушки
Для достижения высокого разрешения в электронных микроскопах и других приборах с электронным пучком (таких как используемые для электронной литографии), целесообразно начинать с электронного источника, который является малым, оптически ярким и стабильным. Источники, основанные на геометрии излучателя Мюллера, хорошо соответствуют первым двум критериям. Первое наблюдение отдельного атома в электронном микроскопе было выполнено Крю, Уоллом и Лэнгмором в 1970 году с использованием сканирующего 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. [например, DD53] Разработаны методы генерации пучков, направленных по оси, либо путем индуцированного нарастания эмитента в поле, либо путем селективного осаждения адсорбата с низкой работой выхода (обычно оксида циркония – ZrO) в плоскую апексную часть вольфрамового излучателя с ориентацией (100). Источники, работающие при комнатной температуре, имеют недостаток, заключающийся в том, что они быстро покрываются молекулами адсорбата, поступающими со стенок вакуумной системы, и излучатель необходимо периодически очищать путем "прогрева" до высокой температуры. В настоящее время чаще используются источники на основе излучателей Мюллера, работающие при повышенных температурах, либо в режиме эмиссии Шоттки, либо в так называемом промежуточном температурно-полевом режиме. Многие современные электронные микроскопы высокого разрешения и приборы с электронным пучком используют ту или иную форму источника электронов на основе излучателя Мюллера. В настоящее время предпринимаются попытки разработать углеродные нанотрубки (УНТ) в качестве источников полевой эмиссии для электронных пушек. Использование источников полевой эмиссии в электронно-оптических приборах повлекло за собой разработку соответствующих теорий оптики заряженных частиц и разработку связанного с этим моделирования. Для излучателей 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. Важные моделирования, включающие трассировку траекторий с использованием модели излучателя SOC, были выполнены Визенером и Эверхартом. В настоящее время возможность моделирования полевой эмиссии от излучателей Мюллера часто включается в коммерческие программы электронной оптики, используемые для проектирования приборов с электронным пучком. Проектирование эффективных современных электронных пушек требует высокоспециализированных знаний.
Атомно-острые излучатели
В настоящее время возможно изготовление очень острых излучателей, включая излучатели, заканчивающиеся одним атомом. В этом случае электронная эмиссия происходит из области примерно в два раза большей, чем кристаллографический размер одного атома. Это было продемонстрировано путем сравнения изображений излучателя, полученных с помощью FEM и полевого ионного микроскопа (FIM). Одноатомные вершины мюллерских излучателей также имеют отношение к сканирующей зондовой микроскопии и гелиевой сканирующей ионной микроскопии (He SIM). Методы их изготовления изучаются уже много лет. Недавним важным достижением стало развитие (для использования в He SIM) автоматизированной методики восстановления трехатомной вершины ("тримера") в исходное состояние, если тример разрушается. Использовались технологии изготовления кремниевых интегральных схем (IC) для создания регулярных массивов, в которых конусы из молибдена осаждались в небольшие цилиндрические полости в оксидной пленке, при этом полость покрывалась контрэлектродом с центральным круглым отверстием. Эта общая геометрия также использовалась с углеродными нанотрубками, выращенными в полости. Другим оригинальным типом устройства был "излучатель Латама". Это были устройства типа MIMIV (металл-изолятор-металл-изолятор-вакуум) – или, в более общем случае, CDCDV (проводник-диэлектрик-проводник-диэлектрик-вакуум) – содержащие проводящие частицы в диэлектрической пленке. Устройство излучает поле, поскольку его микроструктура/наноструктура обладает свойствами усиления поля. Этот материал имел потенциальное преимущество в производстве, поскольку его можно было осаждать в виде "чернил", что исключало необходимость использования технологий изготовления ИС. Однако на практике оказалось трудно изготовить однородные и надежные устройства. Исследования продвинулись в поиске других материалов, которые можно было бы осаждать/выращивать в виде тонких пленок с подходящими свойствами усиления поля. В параллельной пластинчатой геометрии "макроскопическое" поле FM между пластинами определяется как FM = V/W, где W – расстояние между пластинами, а V – приложенное напряжение. Если на одной пластине создается острый объект, то локальное поле F на его вершине больше, чем FM, и связано с FM параметром γ, называемым "коэффициентом усиления поля", который в основном определяется формой объекта. Поскольку характеристики полевой эмиссии определяются локальным полем F, то чем выше значение γ объекта, тем ниже значение FM, при котором происходит значительная эмиссия. Следовательно, для заданного значения W, тем ниже приложенное напряжение V, при котором происходит значительная эмиссия. В течение примерно десятилетнего периода, начиная с середины 1990-х годов, проявлялся большой интерес к полевой эмиссии из плазменно-осажденных пленок аморфного и "алмазоподобного" углерода. Однако впоследствии интерес к ним уменьшился, отчасти из-за появления излучателей на основе углеродных нанотрубок (CNT), а отчасти из-за появления данных о том, что места эмиссии могут быть связаны с частицами углерода, образующимися неизвестным образом в процессе осаждения: это указывает на то, что контроль качества процесса промышленного производства может быть проблематичным. Внедрение полевых излучателей на основе CNT и различных форм полупроводников с широкой запрещенной зоной. Особая цель – разработка "высоко-γ" наноструктур с достаточной плотностью отдельных мест эмиссии. Тонкие пленки нанотрубок в виде сетей нанотрубок также используются для разработки электродов полевой эмиссии. Показано, что путем точной настройки параметров изготовления эти сети могут достичь оптимальной плотности отдельных мест эмиссии. Области применения включают генерацию микроволн, нейтрализацию космических аппаратов, генерацию рентгеновского излучения и (для массивов источников) многолучевую литографию. Также предпринимаются недавние попытки разработать излучатели большой площади на гибких подложках, в соответствии с общей тенденцией к "пластиковой электронике". Разработка таких приложений – задача вакуумной наноэлектроники. Однако полевые излучатели лучше всего работают в условиях хорошего сверхвысокого вакуума. Их наиболее успешные применения на сегодняшний день (FEM, FES и электронные пушки) происходили в этих условиях. К сожалению, полевые излучатели и промышленные условия вакуума плохо сочетаются, и связанные с этим проблемы надежного обеспечения "вакуумной устойчивости" источников полевой эмиссии, используемых в таких условиях, все еще требуют более совершенных решений (вероятно, более продуманных материальных решений), чем те, которые у нас есть в настоящее время.
The parameter γ is called the "field enhancement factor" and is basically determined by the object's shape. Since field emission characteristics are determined by the local field F, then the higher the γ value of the object, then the lower the value of FM at which significant emission occurs. Hence, for a given value of W, the lower the applied voltage V at which significant emission occurs. For a roughly ten year period from the mid 1990s, there was great interest in field emission from plasma deposited films of amorphous and "diamond like" carbon. However, interest subsequently lessened, partly due to the arrival of CNT emitters, and partly because evidence emerged that the emission sites might be associated with particulate carbon objects created in an unknown way during the deposition process: this suggested that quality control of an industrial scale production process might be problematic. The introduction of CNT field emitters, ") and on various forms of wide band gap semiconductor. A particular aim is to develop "high γ" nanostructures with a sufficiently high density of individual emission sites. Thin films of nanotubes in form of nanotube webs are also used for development of field emission electrodes. It is shown that by fine tuning the fabrication parameters, these webs can achieve an optimum density of individual emission sites. include microwave generation, space vehicle neutralization, X ray generation, and (for array sources) multiple e beam lithography. There are also recent attempts to develop large area emitters on flexible substrates, in line with wider trends towards "plastic electronics". The development of such applications is the mission of vacuum nanoelectronics. However, field emitters work best in conditions of good ultrahigh vacuum. Their most successful applications to date (FEM, FES and EM guns) have occurred in these conditions. The sad fact remains that field emitters and industrial vacuum conditions do not go well together, and the related problems of reliably ensuring good "vacuum robustness" of field emission sources used in such conditions still await better solutions (probably cleverer materials solutions) than we currently have.
Феномены вакуумного разложения и электрических разрядов
Как уже было указано, в настоящее время считается, что первыми проявлениями полевой эмиссии электронов были вызванные ею электрические разряды. После работ Фаулера — Нордхайма стало понятно, что CFE является одной из возможных основных причин вакуумного пробоя и явлений электрического разряда. (Детальные механизмы и пути могут быть очень сложными, и не существует единой универсальной причины.) В тех случаях, когда известно, что вакуумный пробой вызван эмиссией электронов с катода, изначально предполагалось, что механизм заключается в CFE с небольших проводящих выступов, напоминающих иглы, на поверхности. Для округления и сглаживания поверхностей электродов, которые могут генерировать нежелательные токи полевой эмиссии, применялись (и применяются) соответствующие процедуры. Однако работы Латама и других исследователей…
Введение
В следующей части статьи рассматривается основная теория холодного полевого излучения электронов от массивных металлов. Наиболее эффективно это рассмотреть в четыре основных этапа, включающих теорию, связанную с: (1) выводом формулы для "вероятности прохождения", рассматривая туннелирование электронов через скругленный треугольный барьер; (2) интегрированием по внутренним электронным состояниям для получения "полного распределения энергии"; (3) вторым интегрированием для получения плотности тока излучения как функции локального барьерного поля и локальной работы выхода; (4) преобразованием полученного результата в формулу тока как функции приложенного напряжения. Модифицированные уравнения, необходимые для излучателей большой площади, и вопросы анализа экспериментальных данных рассматриваются отдельно. Туннелирование Фоулера — Нордхайма — это волномеханическое туннелирование электрона через точный или скругленный треугольный барьер. Различают две основные ситуации: (1) когда электрон изначально находится в локализованном состоянии; (2) когда электрон изначально не сильно локализован и лучше описывается бегущей волной. Излучение от зоны проводимости металла соответствует ситуации второго типа, и дальнейшее обсуждение относится к этому случаю. Также предполагается, что барьер является одномерным (то есть не имеет латеральной структуры) и не содержит мелкомасштабной структуры, вызывающей эффекты "рассеяния" или "резонанса". Для упрощения объяснения туннелирования Фоулера — Нордхайма необходимы эти допущения; однако, атомная структура вещества фактически не учитывается.