МЕНЮ

Фотонный механизм автоэлектронной эмиссии

В данной статье на основе фотонной концепции раскрывается физическая сущность автоэлектронной эмиссии. Показано, что представление автоэлектронной эмиссия как чисто квантового эффекта, у которого отсутствуют энергетические затраты, не соответствует действительности.

Введение. В работе [1] было показано, что термоэмиссия является частным случаем фотонной эмиссии. Под фотонной эмиссией понимается излучение фотонов из твердого тела или какой-либо другой среды. В эмиссионной электронике тело, из которого излучаются фотоны называется электродом (катод, анод, сетка и т. п.). В нормальных условиях при отсутствии внешних магнитных и электрических сил излучение фотонов отсутствует в связи с отсутствием или недостаточностью энергии для возбуждения протон-электронных пар атомов вещества с последующей генерацией фотонов. Для генерации фотонов в теле и их последующей эмиссии (излучению) необходимо совершить работу, т. е. затратить внешнюю энергию. По способу, которым эта энергия передается электроду, эмиссионные процессы классифицируются на  [2]: термоэлектронная, автоэлектронная и взрывная, вторичная, фотоэлектронная эмиссия.

Среди эмиссионных явлений автоэлектронная эмиссия занимает особое место, так как это чисто квантовый эффект [3, 4], при котором для высвобождения электронов из катода не требуется затрат энергии на сам эмиссионный акт в отличие от термо-, фото- и

вторичной эмиссии.

Открытие автоэлектронной эмиссии привело к появлению совершенно новой

области микро- и наноэлектроники, так называемой вакуумной микроэлектроники,

позволило создать новые фундаментальные методы исследования топологии

поверхности с атомным разрешением (сканирующая зондовая микроскопия

сверхвысокого разрешения, туннельная спектроскопия и др.).

Согласно современным представлениям [5]: автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) — испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля Е достаточно высокой напряжённости (Е ~ 109 – 1010 В/см). Автоэлектронная эмиссия обнаружена в 1897 г. Р. У. Вудом. В 1929 Р. Э. Милликен и Ч. К. Лоритсен установили линейную зависимость логарифма плотности тока j автоэлектронной эмиссии от 1/E вида lg j = A –B/E  (А и В — константы). В 1928-29 Р. Фаулер и Л Нордхейм дали теоретическое объяснение автоэлектронной эмиссии на основе туннельного эффекта. Термин » автоэлектронная эмиссия » отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных другим  видам электронной эмиссии (в зарубежной литературе чаще употребляется термин «полевая эмиссия»).

Практическая реализация идей в этой области во многом обогнала теоретическое

обоснование явлений. Проведено множество исследований автоэлектронных свойств катодов на основе металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов. [6]

В ходе интерпретации результатов экспериментов были предложены ряд механизмов, объясняющий этот эффект.

Впервые объяснение автоэмиссии было предложено в 1928 г. Фаулером  и Нордгеймом. [7]  Ими впервые была получена формула, описывающая взаимосвязь плотности автоэлектронного тока j с напряжённостью электрического поля E. Формула Фаулера — Нордгейма справедлива при плотностях токов автоэлектронной эмиссии

j ≤ 108 А/см2. При более высоких плотностях функция j(E) почти не зависит от работы выхода металла. Причина этого эффекта — появление объёмного заряда вблизи эмиттера. Ток автоэлектронной эмиссии в этом случае определяется законом степени трёх вторых.

В последние годы в ряде работ [8] обнаружено, что на нанокластерах углерода возбуждение автоэлектронной эмиссии имеет место при очень низких полях (104−105 В/см). В работах [8, 9] показана неприменимость модели Фаулера – Нордгейма для расчета эмиссии из наноразмерных объектов, в частности углеродных нанотрубок (УНТ). В связи с чем в исследовательской практике по автоэлектронной эмиссии стали разрабатываться новые подходы в описании этого вида эмиссии. В частности, в работе [8] предлагается механизм, объясняющий этот эффект на основе резонансного туннелирования электронов из приповерхностной области катода вследствие размерного квантования, в работе [9] — предлагается использовать формализм интегральных уравнений для численного расчета автоэлектронной эмиссии. Наиболее подробно рассмотрены модели данного эмиссионного механизма, предложенные различными авторами, в работе [10], на основании чего был сделан вывод об отсутствии общепринятого мнения по данному вопросу.

Основным недостатком новых подходов является то, что они базируются  на теории Фаулера — Нордгейма,  в основу которой положена мифологизированная модель свободного электрона, с вытекающими из нее последствиями.

Очевидно, что для объяснения адекватного механизма автоэлектронной эмиссии прежде всего необходимо выйти за рамки мифологии модели свободного электрона. На взгляд авторов решением этой проблемы может быть механизм, в основу функционирования которого положена фотонная концепция.

 

Фотонная теория автоэлектронной эмиссии. Уравнение Фаулера — Нордгейма (закон Фаулера — Нордгейма) [11] описывает ток автоэлектронной эмиссии из металла в вакуум.

Вид уравнения:

j = aЕ2 exp (–bφ3/2/Е),                                                             (1)

где j — плотность тока эмиссии, Е— напряжённость электрического поля, φ — работа выхода, функции а и b зависят от геометрии и работы выхода.

Это основная формула теории автоэлектронной эмиссии. Она выводится из рассмотрения туннельного эффекта при прохождении электрона через потенциальный барьер на границе металл-вакуум, на которую наложено перпендикулярное границе электрическое поле.

Очевидно, что электрическое поле в любой структуре устройства  с автоэлектронной эмиссией будет всегда однородным  — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. [12] Для однородного поля модуль напряженности в любой точке поля численно равен разности потенциалов, приходящейся на единицу длины линии напряженности, т. е.

E=(φ1−φ2)/d=−Δφ/d,                                                                                   (2)

где d – расстояние между анодом и катодом, Δφ — разность потенциалов, численно равная напряжению на аноде Ua, при потенциале катода равном нулю.

Тогда уравнение Фаулера — Нордгейма  можно представить в следующем виде:

j = a(Ua/d)2 exp (–bφ3/2/(Ua/d)),

j = АUa2 exp (–Вφ3/2/Ua),                                                         (3)

где А = a/d2, В = bd.

Модифицированное уравнение Фаулера — Нордгейма  (3)  описывает плотность тока автоэлектронной эмиссии из металла в вакуум, которая определяется величиной напряжения на аноде, работой выхода, функциями А и В, которые  зависят от геометрии и работы выхода. В связи с новыми обстоятельствами указанной зависимости (3) появляется возможность  дать новую интерпретацию физических процессов при автоэлектронной эмиссии. А именно, при приложении анодного напряжения от внешнего источника тока в анодной цепи устройства увеличивается концентрация вторичных фотонов, которые генерируются под воздействием перетока фотонов от внешнего источника тока к аноду тела. Увеличение концентрации вторичных фотонов в аноде тела приведет к эмиссии этих фотонов с поверхности анода (явление внешнего фотоэффекта). Часть  излученных фотонов анодом достигнет поверхности катода, вследствие чего в катоде начнут генерироваться вторичные фотоны (явление внутреннего фотоэффекта). Часть этих вторичных фотонов будет излучаться во внешнее пространство (явление внешнего фотоэффекта). Эти излученные в пространство вторичные фотоны катода и образуют ток автоэмиссии. Очевидно, что ток автоэмиссии образуется за счет энергии внешнего источника тока и явлений внешнего и внутреннего фотоэфектов и ничего общего с эффектом туннелирования не имеет. Очевидна также ошибочность представления термина, указанного выше:  термин » автоэлектронная эмиссия » отражает отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, свойственных другим  видам электронной эмиссии.

Модифицированное уравнение Фаулера — Нордгейма  также указывает на несостоятельность представления автоэлектронной эмиссии как чисто квантового эффекта. Продолжим преобразования уравнения Фаулера — Нордгейма  следующим образом.

j = АUa2 exp (1/Ua) exp (–Вφ3/2).

Учитывая, что exp (1/Ua) ≈ 1+ 1/Ua;     Ua2 exp (1/Ua) ≈ Ua2 + Ua, получим

j = А(Ua2  + Ua) exp (–Вφ3/2) .                                                       (4)

При определенном типе материала катода, используемого для создания устройства  с автоэлектронной эмиссией выражение exp (–Вφ3/2) = const = С. Тогда

j = АС(Ua2  + Ua).                                                                           (5)

Выражение (5) показывает, что плотность тока автоэлектронной эмиссии для конкретного типа материала катода определяется только величиной анодного напряжения внешнего источника тока. И эта зависимость описывается квадратичным полиномом.  Сравнивая выражение (5) с описанием области средних напряжений электровакуумного диода [1], для которого  закон Чайльда – Ленгмюра имеет следующий вид:

Iд=GUa3/2,                                                                                      (6)

где G – конструктивный коэффициент,

получим подобие в описании зависимостей  (5) и (6).

Для полноты представлений физических процессов автоэлектронной эмиссии рассмотрим уравнение Ричардсона и Дешмана  для максимальной плотности тока термоэмиссии электровакуумного диода [1], которую может обеспечить при температуре Т термокатод с работой выхода φ:

j = Ao (1 – R) T2 exp (-φ/kT),                                                       (7)

где Ao = ≈ 4π mγeγk2/hγ3 ≈ 0,528·10-5 [A2/см2К2]  – термоэмиссионная постоянная; T – температура катода по абсолютной шкале Кельвина (К); R – коэффициент отражения фотонов на границе тело – вакуум (обычно не превосходит 0,07); φ – работа выхода фотонов из катода; k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К.

Преобразуем выражение уравнения Ричардсона и Дешмана (7), с учетом соотношения Е = kТ,  Т2 = Е2/ k2,

j = 4π mγeγk2/hγ3 (1 – R) Е2/ kexp (-φ/k k/Е) = 4π mγeγ/hγ3 (1 – R) Е2 exp (-φ/Е).

Принимая Ua = Е/eγ, получим

j = 4π mγ eγ3/hγ3 (1 – R) Ua2 exp (-φ/eγUa),

При  А = 4π mγ eγ3/hγ3 (1 – R), Вφ3/2 = φ/eγ, получим

j = АUa2 exp (–Вφ3/2/Ua).                                                              (8)

Проведенные преобразования уравнения Ричардсона и Дешмана  привели к уравнению Фаулера — Нордгейма (8), что позволяет сделать следующий вывод: уравнение Фаулера — Нордгейма  представляет собой не что иное, как полевую форму записи известного уравнения Ричардсона и Дешмана, описывающего нулевой ток  электровакуумного диода.

Таким образом,  из приведенного выше анализа следует, что: автоэлектронная эмиссия  — излучение фотонов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего источника тока напряжением (Ua).

Автоэлектронная эмиссия аналогична фотоэлектронной эмиссии, отличающейся способом возбуждения фотонов катода и спектром генерируемых вторичных фотонов. При автоэлектронной эмиссии спектр генерируемых фотонов составляет диапазон от инфракрасного излучения до рентгеновского (включительно), а источником фотонов – внешний источник тока.

Рассуждения о том, что автоэлектронная эмиссия обусловлена волновыми свойствами электронов[13] – это ранние гипотетические теории не имеющие экспериментального подтверждения, которые следует отнести к мифологии квантовой физики. В связи с чем появляется необходимость рассмотрения эффекта туннелирования, положенного в основу теории автоэлектронной эмиссии.

Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице, например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда барьер выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах ХХ века. [14]

Открытию туннельного эффекта предшествовало открытие А. Беккерелем в 1896 году радиоактивного распада, изучение которого продолжили супруги Мария и Пьер Кюри. На основе их исследований в следующее десятилетие была сформулирована теория радиоактивного полураспада, вскоре подтверждённая экспериментально. [15]

В 1927 году немецкий физик Фридрих Хунд стал первым, кто математически выявил «туннельный эффект» при расчётах покоя двухъямного потенциала. В 1928 году независимо друг от друга формулы туннельного эффекта применили в своих работах русский учёный Георгий Гамов и американские учёные Рональд Гёрни и Эдвард Ко́ндон при разработке теории альфа-распада. Оба исследования одновременно решали уравнение Шрёдингера для модели ядерного потенциала и математически обосновывали связь между радиоактивным полураспадом частиц и их радиоактивным излучением вероятностью туннелирования.

Туннельная теория a-распада Г.А. Гамова послужила основой для описания механизма автоэлектронной эмиссии Фаулером — Нордгеймом.

Сущность теории Гамова заключается в следующем. [14] Внутри ядра при r < R, где R — радиус ядра, на a-частицу действуют ядерные силы притяжения, вне ядра при r > R — силы кулоновского отталкивания от ядра. Таким образом, в области r ~ R имеется потенциальный барьер. Высота барьера (в случае тяжелых ядер с числом нуклонов больше ста) V ≈ 25-30 МэВ, а энергия a-частицы E ≈ 5-10 МэВ. Чем меньше V и больше E, тем больше проницаемость барьера для a-частиц и тем меньше период полураспада ядра. Экспоненциальная зависимость проницаемости барьера от разности V — E  обусловливает резкий разброс периодов полураспада для различных ядер.

Ошибочность теории Гамова состоит в непонимании сущности кулоновской (электрической) силы и взаимодействия протонов ядра атома, включая протоны нейтронов. Согласно эфиродинамической концепции нейтрон  это протон-электронная пара, у которой электрон находится на нулевой орбите, т. е. вблизи протона, разделяемого пограничным слоем. [16] Фактически в ядре атома взаимодействуют между собой только протоны нейтронов и протоны протон-электронных пар. Взаимодействие осуществляется только за счет магнитных сил. Магнитная сила обусловлена  вращением тел протонов. Протоны протон-электронных пар вращаются синфазно друг другу, что обуславливает наличие между ними магнитной силы отталкивания. Аналогично взаимодействуют между собой протоны нейтронов.  Протоны протон-электронных пар и протоны нейтронов вращаются противофазно, что обуславливает между ними магнитные силы притяжения. Таким образов в атоме ядра действуют только магнитные силы отталкивания и притяжения. Комбинация протонов и нейтронов обеспечивает удержание всех элементов ядра в одном целом образовании за счет магнитных сил притяжения. Электрических сил в ядре атома нет, в связи с тем, что в области элементарных частиц электрические силы обусловлены потоками эфира. Единственным местом существования таких потоков являются связи (джеты) между протоном и электроном в протон-электронной паре. [17] Вследствие чего при наличии электрического заряда атомы вещества всегда электрически нейтральны.

Очевидно, что никакого потенциального барьера в ядре атома не существует.  Фотонная концепция автоэлектронной эмиссии также показывает отсутствие каких либо потенциальных барьеров, что позволяет сделать вывод: эффект туннелирования это один из мифов квантовой физики.

 

Выводы. Таким образом, в данной работе проведен теоретический анализ возможных

механизмов автоэлектронной эмиссии, основанных на теории Р. Фаулера и Л Нордхейма.

Показано, что автоэлектронная эмиссия это один из видов фотонной эмиссии, характеризующийся излучением фотонов под воздействием внешнего источника тока, а полевая форма уравнения Р. Фаулера и Л Нордхейма – это один из способов представления известного уравнения Ричардсона и Дешмана, описывающего нулевой ток  электровакуумного диода.

Представление автоэлектронной эмиссии как чисто квантового эффекта, отражающего отсутствие энергетических затрат на возбуждение электронов, не соответствует действительности.

 

Литература.

  1. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ (фотонная концепция).
  2. Мануилов В. Н. Введение в электронную эмиссию. Учебное пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский университет. 2017. – 48 с.
  3. https://psec.uchicago.edu/Papers/autoelectron_emission.pdf Фурсей Г. Н. Автоэлектронная эмиссия.
  4. Усанов Д.А., Яфаров Р.К. Исследование автоэлектронной эмиссии из наноуглеродных материалов: Учеб. пособие для студ. фак. нано- и биомедецинских технологий. – Изд-во Сарат. ун-та, 2006.- 23 с.: ил.
  5. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0034.html Автоэлектронная эмиссия.
  6. Томилов А. А., Яфясов А.М. ОСОБЕННОСТИ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ИЗ ОДНОМЕРНОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЫ РАЗЛИЧНОЙ ГЛУБИНЫ. Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 2 (60). 2015. Вып. 2
  7. Н. Fowler a. L. Nordheim, Proc. Roy. Soc, A 119, 173, 1928.
  8. ФурсейГ.Н., ПоляковМ.А., КантонистовА.А., ЯфясовА.М., ПавловБ.С., Божевольнов В.Б. Автоэлектронная и взрывная эмиссия из графеноподобных структур. Журнал технической физики, 2013, том 83, вып. 6, с.71 – 77.
  9. Быченок Д. С., Слепян Г. Я. Теория автоэлектронной эмиссии из углеродных нанотрубок: метод интегральных уравнений и проверка применимости модели Фаулера – Нордгейма. Вестник БГУ. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. — 2012. — №3. — С. 33-36
  10. Крель С. И. Автоэлектронная эмиссия из безострийных наноструктур: дис.— Санкт-Петербург, 2015. С. 118.
  11. Трубецков Д. И. , Вакуумная микроэлектроника.Соросовский образовательный журнал, № 4, 1997. С.58-64.
  12. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электрическое поле.
  13. Шешин Е. П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. — М.: Издательство МФТИ, 2001. — 288с.
  14. Делоне Н.Б.Туннельный эффект. Соровский образовательный журнал, Том 6, №1, 2000,С. 79–84.
  15. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Туннельный эффект.
  16. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
  17. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Физическая сущность электрического заряда.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи