Термоэлектронная эмиссия — это освобождение заряженных частиц из горячего электрода , тепловая энергия которого дает некоторым частицам достаточно кинетической энергии, чтобы покинуть поверхность материала. Частицы, иногда называемые термоионами в ранней литературе, теперь известны как ионы или электроны . Термоэлектронная эмиссия конкретно относится к эмиссии электронов и происходит, когда тепловая энергия превышает работу выхода материала .
После испускания в области испускания изначально остается противоположный заряд, равный по величине испускаемому заряду. Но если излучатель подключен к батарее , этот оставшийся заряд нейтрализуется зарядом, поставляемым батареей по мере испускания частиц, поэтому излучатель будет иметь тот же заряд, что и до испускания. Это способствует дополнительной эмиссии для поддержания электрического тока . Томас Эдисон в 1880 году, изобретая свою лампочку, заметил этот ток, поэтому последующие ученые называли ток эффектом Эдисона , хотя только после открытия электрона в 1897 году ученые поняли, что электроны испускаются и почему.
Термоэлектронная эмиссия имеет решающее значение для работы различных электронных устройств и может использоваться для генерации электроэнергии (например, термоэлектронных преобразователей и электродинамических тросов ) или охлаждения. Термоэлектронные вакуумные трубки испускают электроны из горячего катода в закрытый вакуум и могут направлять эти испущенные электроны с помощью приложенного напряжения . Горячий катод может быть металлической нитью, покрытой металлической нитью или отдельной структурой из металла или карбидов или боридов переходных металлов . Вакуумная эмиссия из металлов имеет тенденцию становиться существенной только для температур свыше 1000 К (730 °C ; 1340 °F ). Поток заряда резко увеличивается с температурой.
Термин «термоэлектронная эмиссия» теперь также используется для обозначения любого процесса термически возбуждаемой эмиссии заряда, даже когда заряд испускается из одной твердотельной области в другую.
Поскольку электрон не был идентифицирован как отдельная физическая частица до работы Дж. Дж. Томсона в 1897 году, слово «электрон» не использовалось при обсуждении экспериментов, которые проводились до этой даты.
Впервые об этом явлении сообщил в 1853 году Эдмон Беккерель . [1] [2] [3] Его снова наблюдал в 1873 году Фредерик Гатри в Великобритании. [4] [5] Работая над заряженными объектами, Гатри обнаружил, что раскаленная железная сфера с отрицательным зарядом теряет свой заряд (каким-то образом разряжая его в воздух). Он также обнаружил, что этого не происходит, если сфера имеет положительный заряд. [6] Другими ранними участниками были Иоганн Вильгельм Гитторф (1869–1883), [7] [8] [9] [10] [11] [12] Ойген Гольдштейн (1885), [13] а также Юлиус Эльстер и Ганс Фридрих Гейтель (1882–1889). [14] [15] [16] [17] [18]
Термоионная эмиссия была снова обнаружена Томасом Эдисоном в 1880 году, когда его команда пыталась обнаружить причину поломки обугленных бамбуковых нитей [19] и нежелательного почернения внутренней поверхности ламп накаливания . Это почернение было углеродом, отложившимся от нити, и было темнее всего вблизи положительного конца петли нити, которая, по-видимому, отбрасывала легкую тень на стекло, как будто отрицательно заряженный углерод исходил от отрицательного конца и притягивался к положительному концу петли нити, а иногда и поглощался им. Этот проецируемый углерод считался «электропереносящим» и первоначально приписывался эффекту в трубках Крукса , где отрицательно заряженные катодные лучи из ионизированного газа движутся от отрицательного к положительному электроду. Чтобы попытаться перенаправить заряженные частицы углерода на отдельный электрод вместо стекла, Эдисон провел ряд экспериментов (первый безрезультатный из них записан в его записной книжке 13 февраля 1880 года), среди которых следующий успешный: [20]
Этот эффект имел множество применений. Эдисон обнаружил, что ток, испускаемый горячей нитью накала, быстро увеличивался с напряжением , и подал патент на устройство регулирования напряжения , использующее этот эффект 15 ноября 1883 года [21] , в частности, первый патент США на электронное устройство. Он обнаружил, что через устройство будет проходить достаточно тока для работы телеграфного зонда, который был выставлен на Международной электротехнической выставке 1884 года в Филадельфии. Приехавший с визитом британский ученый Уильям Прис получил от Эдисона несколько лампочек для исследования. В своей статье 1885 года о них Прис назвал односторонний ток через частичный вакуум эффектом Эдисона [22] [23], хотя этот термин иногда используется для обозначения самой термоэлектронной эмиссии. Британский физик Джон Амброуз Флеминг , работавший в British Wireless Telegraphy Company , обнаружил, что эффект Эдисона можно использовать для обнаружения радиоволн . Флеминг приступил к разработке двухэлементного термоэмиссионного вакуумного диода, названного клапаном Флеминга (запатентован 16 ноября 1904 г.). [24] [25] [26] Термоэмиссионные диоды также могут быть сконфигурированы для преобразования разницы тепла в электрическую энергию напрямую без движущихся частей в виде устройства, называемого термоэмиссионным преобразователем , типом теплового двигателя .
После того, как Дж. Дж. Томсон в 1897 году идентифицировал электрон , британский физик Оуэн Вилланс Ричардсон начал работу над темой, которую он позже назвал «термоионной эмиссией». Он получил Нобелевскую премию по физике в 1928 году «за работу над термоионным явлением и особенно за открытие закона, названного его именем».
Согласно теории зон , в твердом теле на атом приходится один или два электрона , которые могут свободно перемещаться от атома к атому. Иногда это называют «морем электронов». Их скорости подчиняются статистическому распределению, а не являются равномерными, и иногда электрон будет иметь достаточную скорость, чтобы покинуть металл, не будучи втянутым обратно. Минимальное количество энергии, необходимое для того, чтобы электрон покинул поверхность, называется работой выхода . Работа выхода характерна для материала и для большинства металлов составляет порядка нескольких электронвольт (эВ). Термоионные токи можно увеличить, уменьшив работу выхода. Эта часто желаемая цель может быть достигнута путем нанесения на провод различных оксидных покрытий.
В 1901 году Ричардсон опубликовал результаты своих экспериментов: ток от нагретой проволоки, по-видимому, экспоненциально зависел от температуры проволоки с математической формой, похожей на модифицированное уравнение Аррениуса , [27] Позднее он предположил, что закон излучения должен иметь математическую форму [28]
где J — плотность тока эмиссии , T — температура металла, W — работа выхода металла, k — постоянная Больцмана , а A G — параметр, который обсуждается далее.
В период с 1911 по 1930 год, по мере того как физическое понимание поведения электронов в металлах увеличивалось, различные теоретические выражения (основанные на различных физических предположениях) были выдвинуты для AG Ричардсоном , Солом Дашманом , Ральфом Х. Фаулером , Арнольдом Зоммерфельдом и Лотаром Вольфгангом Нордхаймом . Более 60 лет спустя среди заинтересованных теоретиков все еще нет единого мнения относительно точного выражения AG , но есть согласие, что AG должно быть записано в форме:
где λ R — поправочный коэффициент, зависящий от материала, который обычно имеет порядок 0,5, а A 0 — универсальная константа, определяемая формулой [29]
где и — масса и заряд электрона соответственно, а — постоянная Планка .
Фактически, примерно к 1930 году было достигнуто соглашение, что из-за волнообразной природы электронов некоторая доля r av выходящих электронов будет отражаться при достижении поверхности эмиттера, поэтому плотность тока эмиссии будет уменьшаться, и λ R будет иметь значение 1 − r av . Таким образом, иногда можно увидеть уравнение термоэлектронной эмиссии, записанное в виде:
Однако современная теоретическая обработка Модиноса предполагает, что зонная структура излучающего материала также должна быть принята во внимание. Это ввело бы второй поправочный коэффициент λ B в λ R , что дало бы . Экспериментальные значения для «обобщенного» коэффициента A G обычно имеют порядок величины A 0 , но существенно различаются между различными излучающими материалами и могут различаться между различными кристаллографическими гранями одного и того же материала. По крайней мере качественно эти экспериментальные различия можно объяснить различиями в значении λ R .
Значительная путаница существует в литературе по этой теме, потому что: (1) многие источники не различают A G и A 0 , а просто используют символ A (а иногда и название «константа Ричардсона») без разбора; (2) уравнения с поправочным коэффициентом, обозначенным здесь как λ R, и без него имеют одно и то же название; и (3) для этих уравнений существуют различные названия, включая «уравнение Ричардсона», «уравнение Дэшмана», «уравнение Ричардсона–Дэшмана» и «уравнение Ричардсона–Лауэ–Дэшмана». В литературе элементарное уравнение иногда приводится в обстоятельствах, когда обобщенное уравнение было бы более уместным, и это само по себе может вызвать путаницу. Чтобы избежать недоразумений, значение любого символа «подобного A» всегда должно быть явно определено в терминах более фундаментальных задействованных величин.
Из-за экспоненциальной функции ток быстро увеличивается с температурой, когда kT меньше W. [ необходимо дополнительное объяснение ] (Практически для каждого материала плавление происходит задолго до того, как kT = W. )
Закон термоионной эмиссии был недавно пересмотрен для двумерных материалов в различных моделях. [30] [31] [32]
В устройствах электронной эмиссии, особенно в электронных пушках , термоэлектронный эмиттер будет смещен отрицательно относительно своего окружения. Это создает электрическое поле величиной E на поверхности эмиттера. Без поля поверхностный барьер, видимый выходящим электроном уровня Ферми, имеет высоту W, равную локальной работе выхода. Электрическое поле понижает поверхностный барьер на величину Δ W и увеличивает ток эмиссии. Это известно как эффект Шоттки (названный в честь Уолтера Х. Шоттки ) или усиленная полем термоэлектронная эмиссия. Его можно смоделировать с помощью простой модификации уравнения Ричардсона, заменив W на ( W − Δ W ). Это дает уравнение [33] [34]
где ε 0 — электрическая постоянная (также называемая диэлектрической проницаемостью вакуума ).
Электронная эмиссия, которая происходит в поле-и-температурном-режиме, где применяется это модифицированное уравнение, часто называется эмиссией Шоттки . Это уравнение относительно точно для напряженностей электрического поля ниже, чем примерно10 8 В⋅м −1 . Для напряженности электрического поля выше10 8 В⋅м −1 , так называемое туннелирование Фаулера-Нордгейма (FN) начинает вносить значительный ток эмиссии. В этом режиме объединенные эффекты усиленной полем термоионной и полевой эмиссии могут быть смоделированы уравнением Мерфи-Гуда для термополевой (TF) эмиссии. [35] При еще более высоких полях туннелирование FN становится доминирующим механизмом электронной эмиссии, и эмиттер работает в так называемом режиме «холодной полевой электронной эмиссии (CFE)» .
Термоионная эмиссия также может быть усилена взаимодействием с другими формами возбуждения, такими как свет. [36] Например, возбужденные пары цезия (Cs) в термоионных преобразователях образуют кластеры Cs- Rydberg-материи , которые приводят к снижению коллекторной эмиссионной работы с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговской материи эта низкая работа выхода остается низкой, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя. [37]
Фотонно-усиленная термоионная эмиссия (PETE) — это процесс, разработанный учеными Стэнфордского университета , который использует как свет, так и тепло солнца для генерации электроэнергии и повышает эффективность производства солнечной энергии более чем в два раза по сравнению с текущими уровнями. Устройство, разработанное для этого процесса, достигает пиковой эффективности при температуре выше 200 °C, в то время как большинство кремниевых солнечных элементов становятся инертными после достижения 100 °C. Такие устройства лучше всего работают в параболических тарелочных коллекторах, которые достигают температуры до 800 °C. Хотя команда использовала полупроводник из нитрида галлия в своем устройстве для проверки концепции, она утверждает, что использование арсенида галлия может повысить эффективность устройства до 55–60 процентов, что почти в три раза больше, чем у существующих систем, [38] [39] и на 12–17 процентов больше, чем у существующих 43-процентных многопереходных солнечных элементов. [40] [41]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )