ავტოელექტრული ემისია

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                   ავტოელექტრული ემისია

შოტკი-ემიტერი ელექტრონული მიკროსკოპის ელექტრონული წყარო

საველე ემისია (ველის ემისია, გვირაბის ემისია) არის ელექტრონების ემისია მყარი და თხევადი სხეულების გატარებით გარე ელექტრული ველის მოქმედებით ამ ელექტრონების წინასწარი აგზნების გარეშე, ანუ დამატებითი ენერგიის ხარჯების გარეშე, რაც დამახასიათებელია სხვა ტიპის ელექტრონებისთვის. ელექტრონის ემისია. ფენომენის არსი არის ელექტრონების გვირაბი სხეულის ზედაპირთან ახლოს პოტენციური ბარიერის მეშვეობით. ფენომენი შესაძლებელი ხდება პოტენციური ბარიერის გამრუდების გამო, როდესაც იცვლება გარე ველის სიძლიერე. ამ შემთხვევაში, სხეულის გარეთ ჩნდება სივრცის რეგიონი, რომელშიც ელექტრონი შეიძლება არსებობდეს იმავე ენერგიით, რომელსაც ფლობს სხეულში ყოფნისას. ამრიგად, ავტოელექტრონული ემისია განპირობებულია ელექტრონების ტალღური თვისებებით .

საველე ემისიის ეს ახსნა პირველად 1928 წელს შემოგვთავაზეს ფაულერმა და ნორდჰეიმმა. მათ პირველებმა მიიღეს ფორმულა, რომელიც აღწერს ურთიერთობას ავტოელექტრონულ დენის სიმკვრივეს j და ელექტრული ველის სიძლიერეს შორის. უფრო მაღალი სიმკვრივის დროს ფუნქცია j(E) თითქმის დამოუკიდებელია ლითონის სამუშაო ფუნქციისგან. ამ ეფექტის მიზეზი არის ემიტერთან ახლოს კოსმოსური მუხტის გამოჩენა. ველის ემისიის დენი ამ შემთხვევაში განისაზღვრება სამი წამის კანონით.

საველე ემისიის დროს კათოდი თბება კათოდის ზედაპირთან მიახლოებული ელექტრონების საშუალო ენერგიასა და პოტენციური ბარიერის გავლით ელექტრონების საშუალო ენერგიას შორის სხვაობის გამო. ამ ფენომენს ნოტინჰემის ეფექტს უწოდებენ.

იხ. ვიდეო -Туннельный эффект

ტერმინოლოგია და კონვენციები

ველის ელექტრონის ემისია, ველიდან გამოწვეული ელექტრონის ემისია, ველის ემისია და ელექტრონული ველის ემისია ამ ექსპერიმენტული ფენომენისა და მისი თეორიის ზოგადი სახელებია. აქ პირველი სახელია გამოყენებული.

ფაულერ-ნორდჰეიმის გვირაბი არის ელექტრონების ტალღურ-მექანიკური გვირაბი მომრგვალებული სამკუთხა ბარიერის მეშვეობით, რომელიც შექმნილია ელექტრონული გამტარის ზედაპირზე ძალიან მაღალი ელექტრული ველის გამოყენებით. ცალკეულ ელექტრონებს შეუძლიათ გაქცევა ფაულერ-ნორდჰაიმის გვირაბით მრავალი მასალისგან სხვადასხვა გარემოებებში.

ცივი ველის ელექტრონის ემისია (CFE) არის სახელი, რომელიც მიენიჭება სტატისტიკურ ემისიის რეჟიმს, რომლის დროსაც ემიტერში ელექტრონები თავდაპირველად შიდა თერმოდინამიკურ წონასწორობაშია და სადაც გამოსხივებული ელექტრონების უმეტესობა იხსნება ფაულერ-ნორდჰეიმის გვირაბებით ელექტრონებთან ახლოს. ემიტერი ფერმის დონე. (საპირისპიროდ, შოთკის ემისიის რეჟიმში, ელექტრონების უმეტესობა გადის ველით შემცირებული ბარიერის თავზე, ფერმის დონეს მაღლა მდგომი მდგომარეობიდან.) ბევრ მყარ და თხევად მასალას შეუძლია ასხივოს ელექტრონები CFE რეჟიმში, თუ ელექტრული ველი გამოიყენება შესაბამისი ზომა.

ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებები არის მიახლოებითი განტოლებათა ოჯახი, რომელიც მიღებულია CFE-ის აღსაწერად ნაყარი ლითონების შიდა ელექტრონული მდგომარეობიდან. ოჯახის სხვადასხვა წევრი წარმოადგენს რეალობასთან მიახლოების სხვადასხვა ხარისხს. მიახლოებითი განტოლებები აუცილებელია, რადგან გვირაბის ბარიერის ფიზიკურად რეალისტური მოდელებისთვის, პრინციპულად შეუძლებელია შრედინგერის განტოლების ზუსტად ამოხსნა რაიმე მარტივი გზით. არ არსებობს თეორიული საფუძველი იმის დასაჯერებლად, რომ ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებები მართებულად აღწერს ველის ემისიას სხვა მასალებისგან, გარდა ნაყარი კრისტალური მყარი.

ლითონებისთვის, CFE რეჟიმი ვრცელდება ოთახის ტემპერატურაზე ბევრად ზემოთ. არსებობს ელექტრონის ემისიის სხვა რეჟიმები (როგორიცაა "თერმული ელექტრონის ემისია" და "შოტკის ემისია"), რომლებიც საჭიროებენ ემიტერის მნიშვნელოვან გარე გათბობას. ასევე არსებობს ემისიის რეჟიმები, სადაც შიდა ელექტრონები არ არიან თერმოდინამიკურ წონასწორობაში და ემისიის დენი, ნაწილობრივ ან მთლიანად, განისაზღვრება ელექტრონების მიწოდებით გამოსხივების რეგიონში. ამ ტიპის არათანაბარი ემისიის პროცესს შეიძლება ეწოდოს ველის (ელექტრონის) ემისია, თუ ელექტრონების უმეტესობა გადის გვირაბებით, მაგრამ მკაცრად ეს არ არის CFE და ზუსტად არ არის აღწერილი ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებით.

სიფრთხილეა საჭირო, რადგან ზოგიერთ კონტექსტში (მაგ. გამოიყენება როგორც ზოგადი სახელი, რომელიც მოიცავს როგორც ველის ელექტრონების ემისიას, ასევე ველის იონების ემისიას.

ისტორიულად, ველის ელექტრონის ემისიის ფენომენი ცნობილია სხვადასხვა სახელწოდებით, მათ შორის "ეონას ეფექტი", "ავტოელექტრონული ემისია", "ცივი ემისია", "ცივი კათოდის ემისია", "ველის ემისია", "ველის ელექტრონის ემისია". და „ელექტრონული ველის ემისია“.

ამ სტატიაში განტოლებები დაწერილია რაოდენობების საერთაშორისო სისტემის (ISQ) გამოყენებით. ეს არის თანამედროვე (1970-იანი წლების შემდგომ) საერთაშორისო სისტემა, რომელიც დაფუძნებულია განტოლებათა რაციონალიზაცია-მეტრ-კილოგრამ-წამის (rmks) სისტემის ირგვლივ, რომელიც გამოიყენება SI ერთეულების განსაზღვრისათვის. ძველი საველე ემისიის ლიტერატურა (და ნაშრომები, რომლებიც პირდაპირ აკოპირებენ განტოლებებს ძველი ლიტერატურიდან) ხშირად წერენ ზოგიერთ განტოლებას ძველი განტოლების სისტემის გამოყენებით, რომელიც არ იყენებს ε0 რაოდენობას. ამ სტატიაში ყველა ასეთი განტოლება გადაკეთდა თანამედროვე საერთაშორისო ფორმაში. სიცხადისთვის, ეს ყოველთვის უნდა გაკეთდეს.

ვინაიდან სამუშაო ფუნქცია ჩვეულებრივ მოცემულია ელექტრონვოლტებში (eV) და ხშირად მოსახერხებელია ველების გაზომვა ვოლტებში ნანომეტრზე (V/nm), უნივერსალური მუდმივების უმეტესობის მნიშვნელობები მოცემულია აქ ერთეულებში, რომლებიც მოიცავს eV, V და nm. ეს სულ უფრო და უფრო ნორმალური პრაქტიკაა საველე ემისიის კვლევაში. თუმცა, აქ ყველა განტოლება არის ISQ-თან თავსებადი განტოლებები და რჩება განზომილებით თანმიმდევრული, როგორც ამას მოითხოვს თანამედროვე საერთაშორისო სისტემა. მათი სტატუსის დასადგენად, უნივერსალური მუდმივების რიცხვითი მნიშვნელობები მოცემულია შვიდ მნიშვნელოვან ფიგურას. მნიშვნელობები მიღებულია ფუნდამენტური მუდმივების 2006 წლის მნიშვნელობების გამოყენებით.

იხ. ვიდეო - Dr. Don Schiffler: Electric Field Emission of Electrons - Usually a plasma has an equal number of electrons and ions and is therefore neutral overall. However, sometimes a plasma is not neutral; if it is only made up of electrons, for example. Such a “non-neutral” plasma can be emitted from field emission cathode tips. Field emission cathodes are used in everything from communication satellites to potentially advanced mammography techniques. Dr. Don Schiffler discusses how these devices are being developed at the Air Force Research Laboratories.

ველისელექტრონის ემისიის ადრეული ისტორია

ველის ელექტრონების ემისიას გრძელი, რთული და ბინძური ისტორია აქვს. ეს ნაწილი მოიცავს ადრეულ ისტორიას, 1928 წელს ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის ორიგინალური განტოლების წარმოშობამდე.

რეტროსპექტივაში, როგორც ჩანს, სავარაუდოა, რომ ელექტრული გამონადენი, რომელიც მოხსენებულია J.H. Winkler 1744 წელს CFE-მ დაიწყო მისი მავთულის ელექტროდიდან. თუმცა, მნიშვნელოვანი გამოძიებები უნდა დალოდებოდნენ მას შემდეგ, რაც ჯ. ტომსონის მიერ ელექტრონის იდენტიფიკაცია 1897 წელს და მანამ, სანამ არ გაირკვა – თერმული ემისია და ფოტო-ემისიიდან მუშაობით – რომ ელექტრონები შეიძლება გამოფრქვეულიყო ლითონების შიგნიდან (და არა ზედაპირზე ადსორბირებული გაზის მოლეკულებიდან. ), და რომ - გამოყენებული ველების არარსებობის შემთხვევაში - ლითონებიდან გამოქცეულ ელექტრონებს უნდა გადალახონ სამუშაო ფუნქციის ბარიერი.

სულ მცირე 1913 წელს არსებობდა ეჭვი, რომ საველე გამოსხივება ცალკე ფიზიკურ ეფექტს წარმოადგენდა. თუმცა, მხოლოდ მას შემდეგ, რაც ვაკუუმი და ნიმუშის გაწმენდის ტექნიკა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა, ეს კარგად დამკვიდრდა. ლილიენფელდმა (რომელიც ძირითადად დაინტერესებული იყო ელექტრონის წყაროებით სამედიცინო რენტგენის გამოყენებისთვის) 1922 წელს გამოაქვეყნა  პირველი მკაფიო ცნობა ინგლისურად ექსპერიმენტული ფენომენოლოგიის ეფექტის შესახებ, რომელიც მან უწოდა "ავტოელექტრონული გამოსხივება". იგი მუშაობდა ამ თემაზე, ლაიფციგში, დაახლოებით 1910 წლიდან. კლეინტი აღწერს ამ და სხვა ადრეულ ნაშრომს.

1922 წლის შემდეგ გაიზარდა ექსპერიმენტული ინტერესი, განსაკუთრებით მილიკანის ხელმძღვანელობით კალიფორნიის ტექნოლოგიის ინსტიტუტში (Caltech) პასადენაში, კალიფორნია,  და გოსლინგის მიერ ლონდონის General Electric Company-ში. ავტოელექტრონული ემისიის გაგების მცდელობები მოიცავდა ექსპერიმენტული დენი-ძაბვის (i–V) მონაცემების სხვადასხვა გზით გამოსახვას, სწორი ხაზის ურთიერთობის მოსაძებნად. დენი იზრდებოდა ძაბვასთან ერთად უფრო სწრაფად, ვიდრე წრფივი, მაგრამ log(i) და V ტიპის ნახაზები არ იყო სწორი. Walter H. Schottky 1923 წელს ვარაუდობდა, რომ ეფექტი შესაძლოა გამოწვეული იყოს თერმულად გამოწვეული ემისიის გამო საველე შემცირებულ ბარიერზე. თუ ასეა, მაშინ log(i) vs. √V-ის ნახაზები სწორი უნდა იყოს, მაგრამ ეს ასე არ იყო. არც შოტკის ახსნა შეესაბამება ექსპერიმენტულ დაკვირვებას CFE-ში მხოლოდ ძალიან სუსტი ტემპერატურით დამოკიდებულების შესახებ  - წერტილი თავდაპირველად შეუმჩნეველი იყო.

გარღვევა მოხდა, როდესაც C.C. ლაურიცენმა (და ჯ. რობერტ ოპენჰაიმერმა დამოუკიდებლად) დაადგინეს, რომ log(i) v. 1/V-ის ნაკვთები კარგ სწორ ხაზებს იძლევა. ეს შედეგი, რომელიც გამოქვეყნდა მილიკანმა და ლაურიცენმა1928 წლის დასაწყისში, ცნობილი იყო ფაულერმა და ნორდჰეიმმა.

ოპენჰაიმერმა იწინასწარმეტყველა, რომ ატომებიდან ელექტრონების ველით გამოწვეულ გვირაბს (ეფექტს, რომელსაც ახლა ველის იონიზაცია ეწოდება) ექნებოდა ეს i(V) დამოკიდებულება, აღმოაჩინა ეს დამოკიდებულება მილიკანისა და აირინგის გამოქვეყნებულ ველის ემისიის შედეგებში.  და ვარაუდობდა, რომ CFE გამოწვეული იყო ელექტრონების ატომის მსგავსი ორბიტალებიდან ველით გამოწვეული გვირაბებით ზედაპირული ლითონის ატომებში. ალტერნატიულმა ფაულერ-ნორდჰაიმის თეორიამ  ახსნა მილიკან-ლორიცენის აღმოჩენაც და დენის ძალიან სუსტი დამოკიდებულება ტემპერატურაზე. ფაულერ-ნორდჰეიმის თეორია იწინასწარმეტყველა, რომ ორივე შედეგი იქნებოდა, თუ CFE გამოწვეული იქნებოდა ველით გამოწვეული გვირაბებით თავისუფალი ელექტრონის ტიპის მდგომარეობებიდან, რასაც ჩვენ ახლა ვუწოდებთ ლითონის გამტარობის ზოლს, ელექტრონულ მდგომარეობებში დაკავებულები ფერმი-დირაკის სტატისტიკის შესაბამისად.

ოპენჰაიმერის თეორიის მათემატიკური დეტალები სერიოზულად არასწორი იყო. ასევე იყო მცირე რიცხვითი შეცდომა CFE დენის სიმკვრივისთვის მოცემულ ფაულერ-ნორდჰაიმის თეორიის მიერ მოცემულ საბოლოო განტოლებაში: ეს გამოსწორდა 1929 წლის ნაშრომში (Stern, Gossling & Fowler 1929).

მკაცრად, თუ ბარიერული ველი ფაულერ-ნორდჰაიმის 1928 წლის თეორიაში ზუსტად პროპორციულია გამოყენებული ძაბვისა და თუ ემისიის არე ძაბვისგან დამოუკიდებელია, მაშინ ფაულერ-ნორდჰაიმის 1928 წლის თეორია პროგნოზირებს ფორმის ნახაზებს (log(i/V2) წინააღმდეგ 1/V) უნდა იყოს ზუსტი სწორი ხაზები. თუმცა, თანამედროვე ექსპერიმენტული ტექნიკა არ იყო საკმარისად კარგი, რათა განასხვავოს ფაულერ-ნორდჰეიმის თეორიული შედეგი და მილიკან-ლორიცენის ექსპერიმენტული შედეგი.

ამრიგად, 1928 წლისთვის მიღწეული იყო ძირითადი ფიზიკური გაგება CFE-ის წარმოშობის ნაყარი ლითონებიდან და მიღებული იყო ორიგინალური ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლება.

ლიტერატურაში ხშირად წარმოდგენილია ფაულერ-ნორდჰაიმის ნამუშევარი, როგორც ტალღური მექანიკის მიერ ნაწინასწარმეტყველები ელექტრონული გვირაბის არსებობის დასტური. მიუხედავად იმისა, რომ ეს სწორია, ტალღური მექანიკის ვალიდობა დიდწილად იქნა მიღებული 1928 წლისთვის. ფაულერ-ნორდჰეიმის ნაშრომის უფრო მნიშვნელოვანი როლი იყო ის, რომ ეს იყო დამაჯერებელი არგუმენტი ექსპერიმენტიდან, რომ ფერმი-დირაკის სტატისტიკა მიმართავდა ელექტრონების ქცევას მეტალებში. როგორც 1927 წელს თქვა სომერფელდმა. ფაულერ-ნორდჰაიმის თეორიის წარმატებამ ბევრი რამ შეუწყო ხელი სომერფელდის იდეების სისწორეს და დიდად დაეხმარა თანამედროვე ელექტრონული ზოლების თეორიის ჩამოყალიბებას. კერძოდ, ორიგინალური ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლება იყო ერთ-ერთი პირველი, რომელმაც ჩართო ელექტრონის სპინის არსებობის სტატისტიკურ-მექანიკური შედეგები ექსპერიმენტის თეორიაში.ენტალური შედედებული მატერიის ეფექტი. ფაულერ-ნორდჰეიმის ნაშრომმა ასევე დაადგინა ფიზიკური საფუძველი ველით გამოწვეული და თერმულად გამოწვეული ელექტრონების ემისიის ერთიანი მკურნალობისთვის. 1928 წლამდე იყო ჰიპოთეზა, რომ ლითონებში არსებობდა ორი ტიპის ელექტრონები, „თერმიონები“ და „გამტარი ელექტრონები“, და რომ თერმულად გამოსხივებული ელექტრონების დენები გამოწვეული იყო თერმიონების გამოსხივებით, მაგრამ ველიდან გამოსხივებული დენები გამოწვეული იყო გამტარი ელექტრონების ემისია. ფაულერ-ნორდჰაიმის 1928 წლის ნაშრომში ვარაუდობენ, რომ თერმიონებს არ სჭირდებოდათ არსებობა, როგორც შიდა ელექტრონების ცალკეული კლასი: ელექტრონები შეიძლება მოდიოდნენ ერთი ზოლიდან, რომელიც დაკავებული იყო ფერმი-დირაკის სტატისტიკის შესაბამისად, მაგრამ გამოიყოფოდა სტატისტიკურად განსხვავებული გზით სხვადასხვა პირობებში. ტემპერატურა და გამოყენებული ველი.

ოპენჰაიმერის, ფაულერის და ნორდჰეიმის იდეები ასევე მნიშვნელოვანი სტიმული იყო ჯორჯ გამოვის,  და რონალდ გურნისა და ედვარდ კონდონის მიერ,  მოგვიანებით, 1928 წელს, რადიოაქტიური დაშლის თეორიის განვითარებისათვის. ბირთვები (ალფა ნაწილაკების გვირაბით).

საველე ელექტრონული მიკროსკოპია და მასთან დაკავშირებული საფუძვლები

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ადრეული ექსპერიმენტული სამუშაოები საველე ელექტრონის ემისიაზე (1910–1920) განპირობებული იყო ლილიენფელდის სურვილით შეექმნა მინიატურული რენტგენის მილები სამედიცინო გამოყენებისთვის. თუმცა, ამ ტექნოლოგიის წარმატებისთვის ჯერ ადრე იყო.

1928 წელს ფაულერ-ნორდჰეიმის თეორიული სამუშაოს შემდეგ, მნიშვნელოვანი წინსვლა მოხდა 1937 წელს ერვინ უ. მიულერის მიერ სფერულ-გეომეტრიული ველის ელექტრონული მიკროსკოპის (FEM) შემუშავებით  (ასევე მოუწოდა "ველის ემისიის მიკროსკოპს"). ამ ინსტრუმენტში ელექტრონის ემიტერი არის მკვეთრად წვეტიანი მავთული, მწვერვალის რადიუსის r. ის მოთავსებულია ვაკუუმში, გამოსახულების დეტექტორის (თავდაპირველად ფოსფორის ეკრანის) საპირისპიროდ, მისგან R მანძილზე. მიკროსკოპის ეკრანზე ნაჩვენებია დენის სიმკვრივის J განაწილების პროექციის გამოსახულება ემიტერის მწვერვალზე, გადიდებით დაახლოებით (R/r), როგორც წესი, 105-დან 106-მდე. FEM კვლევებში მწვერვალის რადიუსი, როგორც წესი, 100 ნმ-დან 1 მკმ-მდეა. წვეტიანი მავთულის წვერს, როდესაც ფიზიკურ ობიექტად მოიხსენიებენ, ეძახდნენ "ველის გამტარი", "წვერი" ან (ამ ბოლო დროს) "მიულერის ემიტერი".

როდესაც ემიტერის ზედაპირი სუფთაა, ეს FEM გამოსახულება დამახასიათებელია: (ა) მასალისგან, საიდანაც მზადდება ემიტერი: (ბ) მასალის ორიენტაცია ნემსის/მავთულის ღერძთან მიმართებაში; და (გ) გარკვეულწილად, ემიტერის ბოლო ფორმის ფორმა. FEM გამოსახულებაში ბნელი ადგილები შეესაბამება რეგიონებს, სადაც ლოკალური სამუშაო ფუნქცია φ შედარებით მაღალია და/ან ლოკალური ბარიერის ველი F შედარებით დაბალია, ამიტომ J შედარებით დაბალია; სინათლის არეები შეესაბამება რეგიონებს, სადაც φ არის შედარებით დაბალი და/ან F შედარებით მაღალი, ამიტომ J შედარებით მაღალია. ეს იწინასწარმეტყველა ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებების მაჩვენებლის მიერ .

გაზის ატომების (როგორიცაა ჟანგბადის) ფენების ადსორბციას გამოსხივების ზედაპირზე ან მის ნაწილზე შეუძლია შექმნას ზედაპირული ელექტრული დიპოლები, რომლებიც ცვლის ზედაპირის ამ ნაწილის ლოკალურ სამუშაო ფუნქციას. ეს გავლენას ახდენს FEM სურათზე; ასევე, სამუშაო ფუნქციის ცვლილება შეიძლება გაიზომოს ფაულერ-ნორდჰაიმის დიაგრამის გამოყენებით (იხ. ქვემოთ). ამრიგად, FEM გახდა ზედაპირული მეცნიერების ადრეული დაკვირვების ინსტრუმენტი. მაგალითად, 1960-იან წლებში FEM-ის შედეგებმა მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა ჰეტეროგენული კატალიზის შესახებ დისკუსიებში. FEM ასევე გამოიყენებოდა ზედაპირული ატომის დიფუზიის შესასწავლად. თუმცა, FEM ახლა თითქმის მთლიანად ჩანაცვლებულია ზედაპირული მეცნიერების უფრო ახალი ტექნიკით.

FEM განვითარებისა და შემდგომი ექსპერიმენტების შედეგი იყო ის, რომ შესაძლებელი გახდა იდენტიფიცირება (FEM გამოსახულების ინსპექტირების შედეგად), როდესაც ემიტერი იყო „სუფთა“ და, შესაბამისად, გამოავლინა მისი სუფთა ზედაპირის სამუშაო ფუნქცია, როგორც ეს დადგენილია სხვა ტექნიკით. ეს მნიშვნელოვანი იყო ექსპერიმენტებში, რომლებიც შემუშავებული იყო სტანდარტული ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლების მართებულობის შესამოწმებლად.ამ ექსპერიმენტებმა გამოიტანეს ძაბვის ბარიერულ ველში კონვერტაციის ფაქტორი β მნიშვნელობა ფაულერ-ნორდჰაიმის ნახაზიდან (იხ. ქვემოთ), ვივარაუდოთ სუფთა ზედაპირის φ-მნიშვნელობა ვოლფრამისთვის, და შეადარეს ის მნიშვნელობებს, რომლებიც მიღებულ იქნა ელექტრონულ-მიკროსკოპის დაკვირვებით. ემიტერის ფორმა და ელექტროსტატიკური მოდელირება. მიღწეულია შეთანხმება დაახლოებით 10%-ის ფარგლებში. სულ ახლახან შესაძლებელი გახდა შედარება პირიქით, კარგად მომზადებული ზონდის მიახლოებით კარგად მომზადებულ ზედაპირთან ისე, რომ მიახლოებითი პარალელური ფირფიტის გეომეტრია შეიძლება იყოს დაშვებული და კონვერტაციის ფაქტორის აღება. როგორც 1/W, სადაც W არის გაზომილი ზონდი-ემიტერის გამოყოფა. შედეგად მიღებული ფაულერ-ნორდჰეიმის ნაკვეთის ანალიზი იძლევა სამუშაო ფუნქციის მნიშვნელობას, რომელიც ახლოსაა ემიტერის დამოუკიდებლად ცნობილ სამუშაო ფუნქციასთან.

ველის ელექტრონული სპექტროსკოპია (ელექტრონული ენერგიის ანალიზი)

ველიდან გამოსხივებული ელექტრონების ენერგიის განაწილების გაზომვები პირველად იქნა მოხსენებული 1939 წელს. 1959 წელს იანგმა თეორიულად გააცნობიერა  და ექსპერიმენტულად დაადასტურა იანგმა და მიულერმა, რომ სფერულ გეომეტრიაში გაზომილი რაოდენობა იყო გამოსხივებული ელექტრონის მთლიანი ენერგიის განაწილება (მისი "ენერგიის მთლიანი განაწილება"). ეს იმიტომ ხდება, რომ სფერულ გეომეტრიაში ელექტრონები მოძრაობენ ისე, რომ კუთხური იმპულსი ემიტერის ერთ წერტილზე თითქმის შენარჩუნებულია. აქედან გამომდინარე, ნებისმიერი კინეტიკური ენერგია, რომელიც ემისიის დროს არის ემიტერის ზედაპირის პარალელურად, გარდაიქმნება ენერგიად, რომელიც დაკავშირებულია მოძრაობის რადიალურ მიმართულებასთან. ასე რომ, ის, რაც იზომება ენერგიის ანალიზატორში, არის ემისიის მთლიანი ენერგია.

1960-იან წლებში მგრძნობიარე ელექტრონული ენერგიის ანალიზატორების შემუშავებით შესაძლებელი გახდა ენერგიის მთლიანი განაწილების დეტალების გაზომვა. ეს ასახავს ზედაპირული ფიზიკის წვრილ დეტალებს და ველის ელექტროსპექტროსკოპიის ტექნიკა აყვავებული იყო გარკვეული პერიოდის განმავლობაში, მანამ, სანამ არ გადაინაცვლებდა ზედაპირული მეცნიერების უახლესი ტექნიკით.

ველის ელექტრონის გამოსხივება, როგორც ელექტრონული იარაღის წყარო

ელექტრონულ მიკროსკოპებში და სხვა ელექტრონული სხივების ინსტრუმენტებში (როგორიცაა ელექტრონული სხივის ლითოგრაფიისთვის გამოყენებული) მაღალი გარჩევადობის მისაღწევად, სასარგებლოა მცირე, ოპტიკურად კაშკაშა და სტაბილური ელექტრონული წყაროს დაწყება. მიულერის ემიტერის გეომეტრიაზე დაფუძნებული წყაროები კარგად აკმაყოფილებენ პირველ ორ კრიტერიუმს. პირველი ელექტრონული მიკროსკოპით (EM) დაკვირვება ცალკეულ ატომზე განხორციელდა კრიუს, უოლისა და ლენგმორის მიერ 1970 წელს,  სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილი იყო ადრეული ველის ემისიის იარაღით.

1950-იანი წლებიდან მოყოლებული, დიდი ძალისხმევა დაეთმო ელექტრონულ იარაღებში გამოსაყენებლად საველე ემისიის წყაროების შემუშავებას. [მაგ., DD53] შემუშავებულია ღერძზე სხივების წარმოქმნის მეთოდები, ან ველით გამოწვეული ემიტერის დაგროვებით, ან დაბალი სამუშაო ფუნქციის მქონე ადსორბატის (ჩვეულებრივ ცირკონიუმის ოქსიდი - ZrO) შერჩევითი დეპონირებით ბრტყელ მწვერვალში. (100) ორიენტირებული ვოლფრამის ემიტერი.

წყაროებს, რომლებიც მუშაობენ ოთახის ტემპერატურაზე, აქვთ მინუსი, რომ ისინი სწრაფად იფარება ადსორბატური მოლეკულებით, რომლებიც ჩამოდიან ვაკუუმური სისტემის კედლებიდან, და ემიტერი დროდადრო უნდა გაიწმინდოს მაღალ ტემპერატურაზე "ციმციმით". დღესდღეობით უფრო გავრცელებულია მიულერზე დაფუძნებული წყაროების გამოყენება, რომლებიც მუშაობენ ამაღლებულ ტემპერატურაზე, როგორც შოთკის ემისიის რეჟიმში, ასევე ე.წ. ტემპერატურის ველის შუალედურ რეჟიმში. ბევრი თანამედროვე მაღალი გარჩევადობის ელექტრონული მიკროსკოპი და ელექტრონული სხივის ინსტრუმენტები იყენებს მიულერზე დაფუძნებულ ელექტრონის წყაროს. ამჟამად, მიმდინარეობს მცდელობა განავითაროს ნახშირბადის ნანომილები (CNTs), როგორც ელექტრონული იარაღის ველის ემისიის წყარო.

ელექტრონულ ოპტიკურ ინსტრუმენტებში ველის ემისიის წყაროების გამოყენება გულისხმობს დამუხტული ნაწილაკების ოპტიკის შესაბამისი თეორიების შემუშავებას  და შესაბამისი მოდელირების შემუშავებას. მიულერის ემიტერებისთვის გამოსცადეს სხვადასხვა ფორმის მოდელები; როგორც ჩანს, საუკეთესოა "სფერო ორთოგონალურ კონუსზე" (SOC) მოდელი, რომელიც შემოიღო დიკის, ტროლანის მიერ. დოლანი და ბარნსი 1953 წელს. მნიშვნელოვანი სიმულაციები, რომლებიც მოიცავს ტრაექტორიის მიკვლევას SOC emitter მოდელის გამოყენებით, გაკეთდა Wiesener-ისა და Everhart-ის მიერ. დღესდღეობით, მიულერის ემიტერებიდან ველის ემისიის სიმულაციის საშუალება ხშირად შედის კომერციულ ელექტრონოპტიკის პროგრამებში, რომლებიც გამოიყენება ელექტრონული სხივის ინსტრუმენტების შესაქმნელად. ეფექტური თანამედროვე საველე ემისიის ელექტრონული იარაღის დიზაინი მოითხოვს მაღალ სპეციალიზებულ გამოცდილებას.

ატომურად მკვეთრი ემისია

დღესდღეობით შესაძლებელია ძალიან მკვეთრი ემიტერების მომზადება, მათ შორის ემიტერები, რომლებიც მთავრდება ერთი ატომით. ამ შემთხვევაში, ელექტრონის ემისია მოდის ერთი ატომის კრისტალოგრაფიულ ზომაზე ორჯერ აღემატება ფართობიდან. ეს აჩვენა ემიტერის FEM და საველე იონური მიკროსკოპის (FIM) გამოსახულებების შედარებით. მიულერის ერთატომიანი ემიტერები ასევე დაკავშირებულია სკანირების ზონდის მიკროსკოპით და ჰელიუმის სკანირების იონური მიკროსკოპით (He SIM). მათი მომზადების ტექნიკა მრავალი წლის განმავლობაში იყო გამოძიების პროცესში. ბოლოდროინდელი მნიშვნელოვანი წინსვლა იყო ავტომატური ტექნიკის შემუშავება (He SIM-ში გამოსაყენებლად) სამატომიანი ("ტრიმერი") მწვერვალის პირვანდელ მდგომარეობაში აღდგენის მიზნით, თუ ტრიმერი იშლება.

დამატებითი თეორიული ინფორმაცია

CFE-ის მიახლოებითი თეორიის შემუშავება ლითონებისგან შედარებით მარტივია შემდეგი მიზეზების გამო. (1) სომერფელდის თავისუფალი ელექტრონის თეორია, თავისი განსაკუთრებული ვარაუდებით ენერგიაში შიდა ელექტრონული მდგომარეობების განაწილების შესახებ, ადეკვატურად გამოიყენება ბევრ ლითონზე, როგორც პირველი მიახლოება. (2) უმეტეს შემთხვევაში, ლითონებს არ აქვთ ზედაპირული მდგომარეობა და (ხშირ შემთხვევაში) ლითონის ტალღის ფუნქციებს არ აქვთ მნიშვნელოვანი "ზედაპირის რეზონანსები". (3) ლითონებს აქვთ მდგომარეობების მაღალი სიმკვრივე ფერმის დონეზე, ამიტომ მუხტი, რომელიც წარმოქმნის/აფარებს გარე ელექტრულ ველებს, ძირითადად დევს ზედა ატომური ფენის გარე მხარეს და არ ხდება მნიშვნელოვანი „ველში შეღწევა“. (4) ლითონებს აქვთ მაღალი ელექტრული გამტარობა: ძაბვის მნიშვნელოვანი ვარდნა არ ხდება ლითონის ემიტერებში: ეს ნიშნავს, რომ არ არსებობს ფაქტორები, რომლებიც აფერხებენ ელექტრონების მიწოდებას ემიტირებული ზედაპირზე და რომ ელექტრონები ამ რეგიონში შეიძლება იყვნენ როგორც ეფექტურ ადგილობრივ თერმოდინამიკურ წონასწორობაში. და ეფექტურ თერმოდინამიკურ წონასწორობაში ელექტრონებთან ლითონის საყრდენი სტრუქტურის, რომელზედაც დამონტაჟებულია ემიტერი. (5) ატომური დონის ეფექტები არ არის გათვალისწინებული.

ველის ელექტრონის ემისიის „მარტივი“ თეორიების შემუშავება და, კერძოდ, ფაულერ–ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებების შემუშავება, ეყრდნობა ზემოაღნიშნული ხუთივე ფაქტორის ჭეშმარიტებას. ლითონების გარდა სხვა მასალებისთვის (და ატომურად ბასრი ლითონის გამომსხივებლებისთვის) ზემოაღნიშნული ფაქტორიდან ერთი ან მეტი სიმართლეს არ შეესაბამება. მაგალითად, კრისტალურ ნახევარგამტარებს არ აქვთ თავისუფალი ელექტრონის მსგავსი ზოლის სტრუქტურა, აქვთ ზედაპირული მდგომარეობა, ექვემდებარებიან ველში შეღწევას და ზოლის დახრილობას და შეიძლება აჩვენონ როგორც შიდა ძაბვის ვარდნა, ასევე ზედაპირის მდგომარეობის ელექტრონების განაწილების სტატისტიკური გამოყოფა. ელექტრონების განაწილება ნაყარი ზოლის სტრუქტურის ზედაპირულ რეგიონში (ეს განცალკევება ცნობილია როგორც "მოდინოს ეფექტი").

პრაქტიკაში, ფაქტობრივი ფაულერ-ნორდჰეიმის გვირაბის პროცესის თეორია თითქმის ერთნაირია ყველა მასალისთვის (თუმცა ბარიერის ფორმის დეტალები შეიძლება განსხვავდებოდეს და შეცვლილი თეორია უნდა განვითარდეს საწყისი მდგომარეობებისთვის, რომლებიც ლოკალიზებულია და არა მიმავალი ტალღის მსგავსი. ). თუმცა, მიუხედავად ასეთი განსხვავებებისა, მოელის (თერმოდინამიკური წონასწორობის სიტუაციებისთვის), რომ ყველა CFE განტოლებას ექნება მაჩვენებლები, რომლებიც იქცევიან ზოგადად მსგავსი გზით. სწორედ ამიტომ ხშირად მუშაობს ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებების გამოყენება მასალებზე, რომლებიც არ არის აქ მოცემული წარმოებულები. თუ ინტერესი მხოლოდ იმ პარამეტრებშია (როგორიცაა ველის გაძლიერების ფაქტორი), რომლებიც დაკავშირებულია ფაულერ-ნორდჰეიმის ან მილიკან-ლორიცენის ნაკვეთების დახრილობასთან და CFE განტოლების მაჩვენებელთან, მაშინ ფაულერ-ნორდჰაიმის ტიპის თეორია ხშირად იძლევა გონივრული შეფასებებს. თუმცა, დენის სიმკვრივის მნიშვნელოვანი მნიშვნელობების გამოტანის მცდელობები ჩვეულებრივ ან ყოველთვის მარცხდება.

გაითვალისწინეთ, რომ სწორი ხაზი ფაულერ-ნორდჰაიმის ან მილიკან-ლორიცენის ნახაზზე არ მიუთითებს, რომ შესაბამისი მასალის ემისია ემორჩილება ფაულერ-ნორდჰეიმის ტიპის განტოლებას: ეს მხოლოდ იმაზე მიუთითებს, რომ ცალკეული ელექტრონების ემისიის მექანიზმი, სავარაუდოდ, ფაულერ-ნორდჰაიმის გვირაბია. 

სხვადასხვა მასალებს შეიძლება ჰქონდეთ რადიკალურად განსხვავებული განაწილება მათი შიდა ელექტრონული მდგომარეობების ენერგიაში, ამიტომ დენის სიმკვრივის წვლილის ინტეგრირების პროცესმა შიდა ელექტრონულ მდგომარეობებზე შეიძლება გამოიწვიოს მნიშვნელოვნად განსხვავებული გამონათქვამები დენის სიმკვრივის წინასწარი ექსპონენციებისთვის, მასალის სხვადასხვა კლასისთვის. . კერძოდ, ბარიერის ველის სიმძლავრე, რომელიც ჩნდება პრე-ექსპონენციალურში, შეიძლება განსხვავდებოდეს ორიგინალური ფაულერ-ნორდჰეიმის მნიშვნელობისგან "2". ამ ტიპის ეფექტების გამოკვლევა აქტიური კვლევის თემაა. ატომური დონის „რეზონანსული“ და „გაფანტული“ ეფექტები, თუ ისინი მოხდება, ასევე შეცვლიან თეორიას.

სადაც მასალები ექვემდებარება ველში შეღწევას და ზოლის ღუნვას, აუცილებელი წინასწარია ასეთი ეფექტების კარგი თეორიების ქონა (მასალის თითოეული განსხვავებული კლასისთვის) CFE-ის დეტალური თეორიების შემუშავებამდე. სადაც ხდება ძაბვის ვარდნის ეფექტები, მაშინ ემისიის დენის თეორია შეიძლება, მეტ-ნაკლებად, გახდეს თეორია, რომელიც მოიცავს შიდა სატრანსპორტო ეფექტებს და შეიძლება გახდეს ძალიან რთული.