Emissione di elettroni da solidi (I): Storia e Teoria

Storia: -

Emissione di elettroni da solidi è un processo fondamentale alla base di trasmissione elettrica in un gas o di vuoto, e come tale, è stato uno dei primi fenomeni da osservare scientificamente. A metà del XVIII secolo, Jean-Antoine Nollet e William Morgan condotto esperimenti che dimostrano che il passaggio di scariche elettriche in tubi parzialmente evacuati prodotto un bagliore tra gli elettrodi. Nel XIX secolo, Johann Hittorf e Sir William Crookes indipendentemente studiato la radiazione prodotta da un catodo in un tubo a vuoto, dimostrando che un invisibile "light" è stato prodotto che ha causato vetro fluorescenza e ombre.

Nel 1897, Joseph John Thompson ha dimostrato che questi raggi catodici erano in realtà fasci di particelle cariche negativamente (cioè elettroni). Ha misurato la loro carica-massa il rapporto e ha rilevato il loro comportamento in campi elettrici e magnetici. Thomas Edison ottenuto un brevetto in 1884 per un dispositivo ad emissione termoionica, costituito da un filo incandescente in un campo elettrico all'interno di un involucro evacuato, che era il precursore di valvole.

I primi ricercatori erano perplessi dal forte valore di soglia per la fotoemissione rispetto alla lunghezza d'onda, una osservazione che non poteva essere spiegata dalla teoria classica elettrica, ma che è stata correttamente descritta da un processo di quantum da Albert Einstein nel 1905.

Il tubo a raggi catodici (CRT), dotato di uno schermo fosforescente, è diventato il dispositivo di base per tradurre i segnali elettrici in visual displays-inizialmente in strumentazione scientifica, in dispositivi quali oscilloscopi, e più tardi in televisione e schermi dei computer. I moderni dispositivi CRT contare su cannoni elettronici a base di emissione di campo, che garantiscono una maggiore vita, la luminosità, e la capacità di messa a fuoco rispetto al termoionica o da fonti di fotoemissione. La sorgente di elettroni in un CRT agisce come un amplificatore di segnale debole (da un'antenna o il circuito logico di un computer) in un modo che è analoga a triodo. Questa sorgente di elettroni anche incorporato un deflettore magnetico, che sposta il fascio di elettroni attraverso il fondo fosforescente ad una velocità costante per creare una immagine bidimensionale da uno essenzialmente un segnale elettronico dimensionale.

Il ionoscope e il fototubo moltiplicatore, inventato da Zworykin nel 1923 e 1935, rispettivamente, preparato il terreno per la televisione e videocamere. Una telecamera è definito come un dispositivo per convertire fotoni in segnali elettrici che opera sul principio di fotoemissione. Le prime versioni incorporate tubi, ma le telecamere poi utilizzato la tecnologia dei semiconduttori.

Microscopi elettronici a trasmissione e scansione utilizzare le proprietà ottiche di elettroni, in particolare la lunghezza d'onda più corta, per produrre immagini di altissima risoluzione. Modelli grezzi sono stati sviluppati nel 1930 'by Max Knoll e Ernst Ruska, ma non era alla seconda guerra mondiale che pratici microscopi elettronici si sono resi disponibili. Trasmissione microscopi elettronici richiedono un fascio di elettroni di massimo splendore, divergenza minimo e focusability alta, e continuano a porre domande sullo sviluppo di tecnologie sempre più sofisticate fascio di elettroni.

Fasci di elettroni sono in grado di fornire elevati livelli di energia con grande precisione. Nel 1950 'e primi anni del 1960, è stata dedicata ricerca considerevole per l'utilizzo del fascio di elettroni nella saldatura, lavorazione, raffinazione e metallo su una scala in miniatura. Questi dispositivi sono ingombranti a causa della necessità di operare sotto vuoto, e questa tecnologia è largamente soppiantato da laser. Lo sviluppo di un laser molto potente e flessibile sulla base di manipolazione magnetico di un fascio di elettroni proposto tecnologia fascio di elettroni nella prima linea di strumentazione.

Teoria generalizzata:

Gli elettroni all'interno di un metallo può essere visualizzato e modellato come una forma di "gas di elettroni" in cui i singoli elettroni guscio esterno sono in grado di muoversi liberamente sotto l'influenza di un campo elettrico, questo movimento di elettroni è responsabile per la funzione di circuiti elettrici. Alla superficie di un metallo, una barriera di potenziale esiste che impedisce la fuoriuscita degli elettroni meno determinate condizioni, al che il metallo emette elettroni nel vuoto o gas circostante. Questa emissione produce un fascio di elettroni liberi che porta corrente è in grado di essere manipolato in molti degli stessi modi che la luce viene manipolato. Sia il trasporto di corrente e le proprietà ottiche dei fasci elettrici hanno aspetti uniche che lo rendono travi tali indispensabili nel settore dell'elettronica.

Il comportamento di elettroni sulla superficie di un metallo è un effetto quantico. Gli elettroni legati ad atomi di esistere in stati di energia discreti. Un elettrone può esistere nello stato terra, corrispondente alla temperatura dello zero assoluto, o può assorbire energia e portata ad un discreto livello di energia più alto dal calore o irraggiamento con radiazione elettromagnetica. Nei metalli e solidi cristallini, gli elettroni condivisi occupano bande di energia, piuttosto che i livelli di energia discreti.

Gli elettroni sono in grado di sfuggire dalla superficie del solido perché l'energia di un guscio esterno, elettrone stato fondamentale nel solido è inferiore all'energia di un elettrone libero nel vuoto. Affinché un elettrone ad essere espulso dalla superficie, essa deve o superare la barriera di potenziale superficie avente energia uguale o superiore a quella di un elettrone libero nel terreno circostante, o tunnel attraverso la barriera. Il fenomeno di tunneling è considerato nel contesto di emissione di campo, al quale è specifico.

L'espulsione di elettroni da un conduttore riscaldato è noto come emissione termoionica. Nella sua forma più semplice, un dispositivo termoionica consiste riscaldata, catodo caricato negativamente (che funge da emettitore di elettroni) e un anodo di carica positiva per allontanare elettroni emessi, entrambi dei quali sono racchiusi in un vuoto, tipicamente un tubo di vetro. Un vuoto è necessaria perché gli elettroni che viaggiano attraverso un gas sono sparsi e dissipano la loro energia nel riscaldamento del gas. Inoltre, reazioni chimiche tra il catodo e tutte le sostanze presenti nel veleno tubo catodo, diminuendo emissione. Se è presente un anodo per allontanare elettroni emessi, si accumulano una carica spazio attorno al catodo, aumentando l'energia richiesta per l'emissione di elettroni.

Photoemission basa sulla interazione tra un fotone incidente di radiazione elettromagnetica e un elettrone vicino alla superficie di un metallo o di semiconduttore elettromagnetico. L'energia del fotone incidente (E = hv, dove v è la frequenza ed h è la costante di Planck) è interamente assorbita dalla elettroni con cui interagisce. Emissione di elettroni si verifica quando l'energia fotonica supera la differenza tra il livello di energia di Fermi e l'energia di un elettrone in un vuoto. Questa differenza è noto come soglia di energia fotoelettrica ed è identica alla funzione di lavoro in un metallo.

Emissione di campo o di emissione freddo si verifica quando una differenza di tensione esistente tra il catodo e l'anodo. La presenza di un campo elettrico provoca una deformazione e assottigliamento della barriera di potenziale sulla superficie di un metallo. L'elettrone si comporta come un'onda piuttosto che una particella. La funzione d'onda non scompare alla barriera di potenziale, ma decade in esso, con la probabilità finita che l'elettrone si troverà al di fuori della barriera. L'elettrone si dice che abbia tunnel attraverso la barriera, dato che non ha acquistato la forza di superarla.

L'emettitore effettivo in un dispositivo ad emissione di campo costituito da un filo estremamente sottile con una punta arrotondata. La punta, che può essere submicroscopico 100 angstrom in diametro, agisce come una sorgente puntiforme di elettroni radianti in un cono. In campo microscopi di ionizzazione e di emissione di campo, il modello di propagazione radiale radiazione serve come sistema di ingrandimento proprio, in altre applicazioni fascio di elettroni, come microscopi elettronici e tubi catodici (CRT), il fascio viene focalizzato per mezzo di lenti elettromagnetici. Gli elettroni in corrispondenza o in prossimità del livello di energia di Fermi, dove la barriera è più sottile, contribuiscono maggiormente alla emissione di campo. Emissione di campo è solo debolmente dipendente dalla temperatura.

Emissione secondaria si presenta quando elettroni da un fascio di elettroni vengono utilizzati per liberare elettroni da un bersaglio per formare un altro fascio di elettroni. Poiché un elettrone è in grado di produrre da tre a 30 elettroni secondari, risultati emissioni secondarie di amplificazione ed è utilizzato in tubi fotomoltiplicatori.

Applicazioni:

Continua nella Parte 2

Riferimenti: -

1) Introduzione alla tecnologia a raggio di elettroni da Bakish, Robert A.

2) Photoemission in solidi di Cardona, Manuel, e Lothar Ley.

3) Elettronica Invenzioni 1745-1976 da Dummler GWA

4) agli ioni di microscopia in campo da Hren, John J. e Srinivasa Ranganathan

5) E molti siti web