Полевая электронная эмиссия и полевой электронный микроскоп

ВВЕДЕНИЕ 3
ПОЛЕВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ 5
Потенциальный барьер 5
Туннельный эффект 6
Применение полевой электронной эмиссии 8
ПОЛЕВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 16
ЛИТЕРАТУРА 17

Весь текст будет доступен после покупки

Под электронной эмиссией понимается испускание электронов в вакуум из среды. Катод может испускать электроны. Открытие полевой электронной эмиссии (ПЭЭ) привело к появлению совершенно новой области микроэлектроники и наноэлектроники, так называемые вакуумные микроэлектроника. Для исследования топологии поверхности с атомным разрешением новые фундаментальные методы создается. Надо совершить работу против внутренних сил, удерживающих их на границе раздела катод-вакуум. потому что электроны не могут самопроизвольно покинуть поверхность катода. Таким образом, чтобы освободить электроны из катода, необходимо затратить энергию. В соответствии со способом, с помощью которого эта энергия передается катоду процессы излучения называют тепловое излучение, если энергия передается электронам при нагревании катода из-за тепловых колебаний решетки; вторичной электронной эмиссией, когда эта энергия передается другими частицами; фотоэлектронной эмиссии, в которой электроны выбиваются фотонами и т.д [1].
Электронная эмиссия - это процесс, при котором электроны выбрасываются из вакуума с поверхности твердого тела или другой среды под воздействием сильного электрического поля с напряженностью, например, F = 10.7–108 Для создания такого сильного электрического поля в обычных макроскопических электродах требуется приложить напряжение в несколько десятков миллионов вольт. Однако с использованием автоэлектронной эмиссии можно добиться возбуждения при значительно более низких напряжениях, если катод имеет форму с радиусом кончика тонкой верхней части в сотых или десятых долях микрона. Таким образом, достигается состояние, когда расстояние между катодом и анодом составляет всего несколько микронов, а радиус кривизны катода составляет от 20 до 50. A [2] автоэмиссию удается добиться результатов при низких напряжениях, не превышающих сотен и даже десятков вольт..

Весь текст будет доступен после покупки

Полевая электронная эмиссия
Потенциальный барьер
Часто изображается в виде энергетической диаграммы (рис. 1) борьба против сил, удерживающих электрон внутри катода.

Рисунок 1. Потенциальный барьер на границе металл– вакуум: 1 – потенциал сил зеркального изображения, 2 – потенциальный барьер в сильном электрическом поле. Уровень Ферми – энергия, соответствующая максимальной энергии электрона в металле при температуре абсолютного нуля. Дно зоны – дно зоны проводимости [3]
Уется преодолеть силы притяжения. ется преодоление потенциального барьера U, созданного указанными силами, является ключевой задачей. Одной из основных сил, удерживающих электрон на поверхности катода, являются силы зеркального отражения. Они возникают из-за того, что электрон, покидающий катод, воздействует на электронный газ внутри твердого тела таким образом, будто создает положительный заряд равный по величине заряду эмитированного электрона. Взаимодействие этих зарядов происходит по закону Кулона, и потенциал данных сил играет важную роль.
U=-e^2/4x
здесь e обозначает заряд электрона, а x - расстояние, определяющее удаление эмитированного электрона от поверхности катода. Отрицательный знак указывает на то, что нулевой уровень энергии соответствует энергии свободного электрона, находящегося на бесконечном расстоянии от поверхности.
Туннельный эффект
Для преодоления потенциального барьера на границе катод-вакуум требуется выполнить работу по выходу A. e?при условии, что ? представляет собой потенциал выхода, чтобы электрон мог покинуть катод, его энергия должна превышать высоту потенциального барьера, согласно традиционным представлениям в физике.
Однако, существуют физические сценарии, когда электрон может освободиться, не преодолевая барьер, а проникая сквозь него. Это становится возможным, если барьер на границе очень тонкий и создан сильным электрическим полем. Процесс проникновения электрона сквозь потенциальный барьер называется туннельным эффектом, который играет ключевую роль в автоэлектронной эмиссии.
Таким образом, общий потенциал в данной ситуации представляет собой следующее:
U(х)=-e^2/4x-eFx
Больше будет изменение формы потенциального барьера, как показано на иллюстрации №1. Величина изменения формы будет пропорциональна силе поля. уже потенциальный барьер.
Чтобы объяснить туннельный эффект, обычно используется понятие прозрачности потенциального барьера. Прозрачность барьера D показывает вероятность того, что электрон, падая с металла на барьер, пройдет через него в вакуум. [4]. Квантово-механические расчеты показывают, что выражение для ясности, произвольный барьер может быть представлен в виде записи
D "? exp" [-2/h ?_0^t-?v(2m(U-E) ) dx?]
где h = 6,62 ? 10?34 Дж ? с – постоянная Планка, m – масса туннелирующей частицы, U – потенциальная энергия, Е – энергия электрона, падающего на барьер.
Из этого утверждения следует, что вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер сильно зависит от разницы между его высотой и энергией частицы, то есть от U?E. Ширина барьера, как показано на рисунке 1, зависит от силы электрического поля. Зная количество электронов, падающих на барьер из металла, и его прозрачность, можно рассчитать общий эмиссионный ток j электронов, покидающих поверхность и переходящих в вакуум, и получить формулу для автоэлектронной эмиссии. Первоначальные квантово-механические расчеты были проведены Р. Фаулером (R.H. Fowler) и Л.В. Нордгеймом (L.W. Nordheim) [4]:
j=1,54·10^(-6) F^2/(?t^2 (y)) exp[-6,83·10^7 ?^(2/3)/F ?(y)]
где y=3,79·10^(-4) (vF)/?. Функции ?(y) и t(y) табулированы. Функция t(y), стоящая в предэкспоненциальном множителя, которая приближается к 1 и практически не меняется при изменении аргумента. Эта функция обозначается как ?(y). Нордгейма и принимает во внимание снижение возможного препятствия.
Теория Фаулера–Нордгейма желаемого результата путем изменения поля. использования гигантских плотностей тока, которые на много порядков превышают плотности тока, достигаемые с помощью любого другого традиционного метода. термо-электроны, фотоны и другие виды излучения имеют различные характеристики. Из-за экспоненциальной зависимости можно сделать вывод, что разброс энергий эмитированных электронов значительно меньше, чем в других случаях. термоэмиссии. Из теории вытекает, что автоэмиссия также проявляются при экстремально низких температурах, почти достигающих абсолютного нуля. Все указанные характеристики сохраняются в таких условиях. автоэмиссии эксперименты подтвердили процесс. автоэмиссии оказался почти не имеющим инерции [5].
Уникальные свойства автоэмиссии вызвавшие большой интерес у инженеров и технологов, эти разработки открывают новые возможности в области приборостроения, диагностики и технологии.
Применение полевой электронной эмиссии
Металлические автомобильные электронные эмиттеры применяются в ситуациях, когда необходима значительная интенсивность тока. j, например, в случаях, когда требуются значительные электрические токи. концентрирэлектронные пучки являются положительными по многим причинам, включая отсутствие энергозатрат.еских затрат на подогрев и безынерционность. Металлические автоэлектронные эмиттеры (обычно многоострийные) используются в мощных устройствах с высоким током. Нелинейность вольт-амперной характеристики применяется в устройствах для работы с высокочастотными сигналами, такими как преобразователи частоты, усилители и детекторы. Автоэмиссионный эмиттер используется как интенсивный источник электронов в растровых микроскопах и имеет перспективы в области рентгеновской и обычной техники. электронной микроскопиив рентгеновской спектроскопии, в рентгеновских томографах и электронно-лучевых приборахЕльных элементах для измерения газовых выбросов.ельных индикаторы изменений в уровне напряжения.
Сочетание автоэлектронного катода с анодом, который соединен с люминесцирующим экраном, превращает обычный автоэмиссионный диод в электронный микроскоп. С помощью этого микроскопа можно наблюдать изображение углового распределения тока на экране. автоэмиссии с острия при высоких увеличениях и разрешающей способности.
Полупроводниковые автоэмиссионные эмиттеры обладают потенциалом быть перспективными в качестве чувствительных элементов.ельные приёмники ИК-излучения. Многоострийные эмиттеры являются основой для создания мозаичных систем.стем в преобразователях ИК-изображений.
Используются специальные компоненты для обеспечения безопасной работы и эффективной передачи электричества. автоэмиссия возможных негативных последствий, необходимо предпринимать меры по устранению данной проблемы. автоэмиссии в данных ситуациях уменьшается область на поверхности электродов (путем уменьшения их изгибов), оптимизируется размещение электродов и распределение потенциалов, а также увеличивается уровень излучения с поверхности (подбором материала или покрытия).) [6].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Фурсей Г.Н. Автоэлектронная эмиссия. СПб.: Лань, 2012.
2. Forbes R.G. // Sol. Stat. Electron. 2001. Vol. 45. P. 779–808.
3. V.I. Kleshch, E.A. Vasilieva, S.A. Lyashenko, I.V. Obronov, A.V. Turnina, A.N. ObraztsovThe surface characteristics and field emission capabilities of thin layers of graphene flakes were investigated. Physica Status Solidi. – 2011.
4. Елинсон М.И. и Васильев Г.Ф. исследовали явление автоэлектронной эмиссии. Редактором данного издания является Д.В. Зернов. Книга издана Московским государственным издательством физико-математической литературы в 1958 году. 272 с.
5. Ненакаливаемые катоды / Под ред. М.И. Елинсона. М.: Сов. радио, 1974. 336 с.
6. Brodie I., Spindt Vacuum Microelectronics in C.A. // Progress in Electronics and Electron Physics. N.Y.: Acad. Press, 1992. Vol. 83. P. 1–106.
7. Зандберг Э. Я., Ионов Н.И. Исследование процесса поверхностной ионизации. Издательство "Наука", 1969 год. Объем - 430 страниц.
8. Фишер Р., Нойман Исследование автоэлектронной эмиссии полупроводников: актуальные достижения и новые перспективы. Перевод с немецкого и обзор Г.Н. - новинки в области автоэлектронной эмиссии полупроводников. Фурсея и О.И. Львова / Под общ. ред. И.Л. Сокольской. М.: Наука, 1971. 215 c.
9. Лекции по теории колебаний, написанные Мандельштамом Л.И. и изданные в Москве в 1972 году, представляют собой ценный материал для изучения данной темы.
10. Основы исследования поверхности твердых тел с использованием методов атомной физики: учебное пособие, написанное Н.Н. НикитенковТомского политехнического университета, 2021. Tомского политехнического университета, 2012. – 203 с.

Весь текст будет доступен после покупки