Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронная эмиссия (также – полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности.

Автоэлектронную эмиссию открыл в 1897 году Роберт Уильямс Вуд. При исследовании вакуумного разряда Вуд заметил в сильном электрическом поле испускание электронов, наблюдая свечение стекла под их воздействием, и описал это явление.

Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе эмиттера не путем прохода над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, суженный и сниженный электрическим полем.

Зависимость автоэмиссии от поля и работы выхода весьма сильна, что иллюстрируется таблицей 1, в которой приведены некоторые значения плотности автоэлектронного тока в А/см² в зависимости от поля в В/см и работы выхода в эВ.

По мере увеличения напряжённости внешнего поля понижается высота потенциального барьера и уменьшается его ширина. Следовательно, увеличивается вероятность электронов, подлетающих со стороны металла, преодолеть барьер.

Таблица 1.3. Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности поля и работы выхода

Рисунок 1.3. Поверхностный потенциальный барьер на границе металл-вакуум:
1 – отсутствие внешнего поля; 2 – слабое поле; 3 – сильное поле; d – ширина барьера

В 1928 году Фаулер и Нордгейм построили теорию холодной эмиссии с поверхности металлов. Объяснив механизм, они ввели характеристику для туннельного эффекта, которая сейчас называется коэффициент прозрачности D потенциального барьера – отношения количества упавших на поверхность со стороны металла электронов к количеству прошедших сквозь барьер.

,

где h – постоянная Планка,

m – масса электрона,

E – энергия электрона, падающего на поверхность,

U – высота потенциального барьера.

Т.е. вероятность прохождения электрона сквозь барьер сильно зависит от ширины барьера и от превышения барьера над энергией электрона (U–E) или, в конечном счёте, от высоты барьера, определяемой работой выхода.

Зная прозрачность барьера и количество упавших электронов, которое рассчитывается из теории физики твёрдого тела, можно подсчитать и количество электронов, т.е. эмиссионный ток:

,

где J – плотность тока;

φ – работа выхода;

E – напряжённость поля;

A и B – функции, зависящие от геометрии системы и работы выхода.

Теория правильно доказала экспоненциальную зависимость эмиссионного тока от напряжённости (рис. 6.6).

Рисунок 1.4. Типовые вольтамперные характеристики автоэмиссии

Зависимость тока эмиссии от напряжённости поля часто строят в координатах Фаулера-Нордгейма ln(J/E) и 1/E – в этом случае получаются прямые линии.

Расчёты показывают, что предельная плотность тока при прозрачности барьера, равной 1, равна 4,3·10⁹·Е_F², т.е. для металлов с энергией Ферми порядка 5 эВ предельная плотность тока равна 1,1·10¹¹ А/см².

Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены разогревом эмиттера, протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. Заметим, что таким же разогревом ограничена плотность тока, отбираемого с полупроводниковых термокатодов, но величины сопротивления – и, следовательно, предельные токи – различаются на много порядков. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10⁷ А/см² (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10⁹ А/см² в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом "режиме взрывной эмиссии".

Энергетический спектр автоэлектронов из металла узок (что также доказала теория Фаулера-Нордгейма), полуширина распределения по полным энергиям при температуре 0 К составляет величину порядка 0,1-0,2 эВ, при 300 К 0,2-0,3 эВ. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т. к. уходящие электроны уносят энергию в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением - эффект меняет знак, проходя через "температуру инверсии", соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям (в эксперименте на этот эффект накладывается джоулев разогрев). Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Все это влияет на положение энергетических зон, концентрацию носителей заряда и их энергетический спектр.

Автоэмиссия слабо зависит от температуры, например, при плотностях тока эмиссии 10⁶ у материалов с работой выхода 5-6 эВ при увеличении температуры ток возрастает на 10%.

В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы или соединения с металлическим типом проводимости - как ввиду низкого сопротивления, так и ввиду высокой прочности. Однако в некоторых случаях возможно использование и полупроводников. Для них предельная эмиссия меньше, ток в некоторых случаях зависит от температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмитированных электронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.

Автоэлектронная эмиссия зависит от двух основных параметров автоэлектронного катода:

• Работа выхода.
• Напряжённость электрического поля на поверхности автоэлектронного катода.

Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода приводит к нестабильности работы автокатодов. На величину работы выхода влияют следующие параметры:

1. Процессы, происходящие во время эмиссии в высоком вакууме (диффузия, миграция, перестройка поверхности).

Диффузия слабо влияет на работу, поскольку материал для автокатода как правило однородный (вольфрам, углерод).

Миграция – изменение локального состава поверхности, особенно сильно проявляет своё влияние при автокатоде неоднородного состава (например, LaB₆),

Перестройка поверхности – явление смены кристаллографических плоскостей поверхности в сильных электрических полях. Этим эффектом часто пользуются для управления формой эмиттера.

Процессы миграции и перестройки поверхности сильно взаимосвязаны.

1. Недостаточная степень вакуума.

Это влияние выражается в сорбировании остаточных газов на поверхности автокатода, что увеличивает работу выхода. Причём вольфрам очень хорошо сорбирует газы. Для уменьшения этого процесса используют небольшой подогрев эмиттера. Степень же вакуума у приборов с автокатодами на два-три порядка выше (10^-7 – 10^-8), чем у приборов с термокатодами (10^-4 – 10^-5 Па).

Напряжённость электрического поля на поверхности автоэлектронного катода, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе, т.е. от отношения напряжения к величине зазора между катодом и анодом, и от формы эмиттера. Для увеличения напряжённости на поверхности эмиттеру придают заострённую форму – острия, кромки, нити, лезвия (рис. 1.5), и, как правило, используют пакеты таких форм. Поэтому часто встречается такое понятие, как многоострийные автоэмиссионные катоды. Это связано с тем, что ток с одного острия, несмотря на огромную плотность, очень мал. Число острий при этом должно достигать десятков тысяч.

Рисунок 1.5. Типовые формы автоэмиттеров:

а) острийный (вершина острия апроксимируется полусферой, катод в целом – параболоидом вращения)

б) коаксиальный (цилиндрически симметричный)

в) лезвийный (поперечное сечение у торца – приближенно парабола)

г) плёночный (эмиссия идёт с торца плёнки толщиной < 1 мкм)

Отдельный и сложный вопрос – это формирование остриёв (или любого другого рельефа). Существует несколько методов:

1. Электрохимическое или электронное травление.
2. Физический излом плёнки, фольги или многократное вытягивание резка пучка нитей.
3. Выращивание остриёв из газовой фазы, содержащей атомы нужного вещества (как правило, углерод).
4. Напыление через маску.

Естественно, что острия должны сохраняться для нормальной стабильной работы катода. Но, как было уже сказано выше, этому мешает перестройка поверхности, которая с повышением температуры увеличивает своё влияние. Но при этом имеется особенность: если нагрев идёт без присутствия поля, поверхность сглаживается, а в поле сильной напряжённости – наоборот – заостряется. Это используется для управления формой остриёв и для поддержания стабильности работы эмиттера в целом.

Ещё одна большая проблема – непараллельность пучка электронов в связи с тем, что эмиссия происходит с острия, а не с плоскости, как в термокатодах. Это связано с тем, что область высоких напряжений, где электроны приобретают наибольшую энергию, лежит в зоне острия. В результате электрон получает вектор скорости, далеко не всегда совпадающий с вектором напряжённости поля в приборе. Электронный пучок расширяется, а поскольку используют многоострийную или многолезвийную систему, то общий поток электронов вообще получается пересекающимся. Из-за этого автоэмиссионный катод нельзя просто взять и поставить вместо термоэмиссионного в аналогичный прибор. Необходимо прибегать к различным технологическим приёмам для сужения и выпрямления пучка (создание эмиссионного рельефа избирательной сорбцией – сорбированием циркония на вольфраме или огранкой – созданием разных кристаллографических граней, которые по-разному эмитируют), что приводит к иным конструкциям приборов.

• Основные достоинства автоэмиссионных катодов:
• Высокая плотность тока
• Безынерционность
• Малые размеры
• Отсутствие цепи накала
• Малый разброс по энергиям в пучке

Эти качества делают автоэмиссионные катоды перспективными для электронной микроскопии, электронно-лучевой технологии, ярких источников света и плоских дисплеев, а также для рентгеновских трубок и СВЧ-приборов сверхбольших частот. К тому же именно автоэлектронные приборы считаются наиболее перспективными для их миниатюризации и использования в наноэлектронике.

Интерес к автоэмиссионной электронике в последние 15 лет заметно возрос в связи с таким чудом природы, как УНТ. Помимо остальных своих необычных качеств, УНТ обладает превосходными автоэмиссионными способностями.

Идея получения тока автоэлектронной эмиссии из нанотрубных углеродных структур впервые была высказана российскими учеными Л.А. Чернозатонским, Ю.В. Гуляевым и З.Я. Козаковской. Ими же впервые в 1993г. была обнаружена автоэмиссия с созданных нанотрубных углеродных пленок. Сама природа подарила углеродным нанотрубкам идеальную геометрию для эмиттеров – атомарные размеры заостренных участков эмитирующей поверхности, обеспечивающие создание высоких электрических полей. К тому же они, как и графит, обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам, высокой механической прочностью, приближающейся к алмазу, и, имея высокую температуру плавления, свойственную углеродному материалу, могут работать в условиях технического вакуума.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа было установлено, что расстояние между остриями нанотрубок в пленке в среднем не превышает 10 ангстрем, а потому плотность упаковки автоэмиссионных центров может достигать 10¹²-10¹⁴ см^-2. При помещении пленок в сильное электростатическое поле эти наноострия становятся эмиссионными центрами. Плотность эмиссионного тока с имеющихся сегодня углеродных нанотрубных пленок уже достигает 10А/см² при средней напряженности электрического поля на их поверхности 30-50 В/мкм. Такую высокую автоэмиссионную способность нанотрубных пленок нельзя объяснить только относительно большой высотой нанотрубок по сравнению с диаметром и атомарным заострением вершин трубок. Существенный вклад в увеличение интенсивности автоэмиссии вносит впервые обнаруженное Ю.В.Гуляевым, Н.И.Синицыным и Г.В.Торгашовым уникальное свойство материала из углеродных нанотрубок – низкая работа выхода электронов, которая составляет лишь 1 эВ. При такой работе выхода электронов пленки можно использовать также в качестве высокоэффективных низкотемпературных термокатодов с рабочей температурой ниже 500° С. Эмиссионные характеристики нанотрубных структур (плотности тока автоэмиссии, рабочие напряжения, временная стабильность параметров) могут быть в дальнейшем улучшены за счет введения в нанотрубки атомов других элементов (например, атомов Ba, Pb и Sn), создания фрактальных структур и совершенствования технологии их изготовления. Эти и другие резервные направления открывают возможности увеличения плотности автоэмиссионного тока до 100А/см² и выше.

Рисунок 1.6. Вольтамперные характеристики катодов из нанотрубок, допированных барием (а); из чистых нанотрубок (б)