Микроострия. Свойства, изготовление, применение

Одним из наиболее важных с практической точки зрения является автоэлектронная (холодная) эмиссия. Механизм явления состоит в туннельном проникновении электронов из металла в вакуум через потенциальный барьер, который снижается и сужается сильным электрическим полем у вершины микроострия до такой степени, что вероятность проникновения электронов через него достигает заметных величин. Плотность автоэлектронного тока j зависит от величины работы выхода электронов материала поверхности & и напряженности электрического поля.

Формула, полученная Фаулером и Нордгеймом [3], хорошо согласуется с экспериментом:

j = 1.54·10

 {E

/ [& t

(y)} exp {-6,83·10

&

? (y) /F},

где y = 3.79·10

 (?E) /&, функции ? (y) и t (y) табулированы.

При достаточно высоком положительном потенциале на микроострие начинается ионизация атомов окружающего газа у его поверхности. Таким образом, оно становится эффективным точечным ионным источником. Так, ионизация атомов гелия начинается при напряженности поля у поверхности равной 4,5·10

В/м [4].

Третьим важнейшим эффектом, связанным с концентрированием электрического поля, является испарение атомов материала микроострия в достаточно сильном электрическом поле в виде ионов. Именно этот процесс и ограничивает возможности по увеличению напряженности поля у поверхности выше ?10

В/м, так как при интенсивном испарении атомов радиус при вершине увеличивается и, соответственно, напряженность снижается.

Теория этого явления изложена в [5]. Имеются два подхода к его объяснению. Модель сил изображения рассматривает полевое испарение как удаление металлического иона заряда n через барьер, возникающий при суперпозиции потенциальной энергии -neFx, создаваемой приложенным полем F на расстоянии x от поверхности и потенциальной энергии изображения (ne)

/4x. Для энергии активации Q

полевого испарения поверхностного атома в виде n – кратного иона получается выражение: Q

= Q

– (ne)

F

, (•)

где Q

 – энергия, требуемая для удаления поверхностного атома в виде n – кратного иона на бесконечность в отсутствие поля.

Альтернативная модель «постионизации» (или обмена зарядом) рассматривает полевую десорбцию атома А с металла М как переход из состояния А+М в состояние А

+M

. Переход происходит на критическом расстоянии х

, где потенциальные энергии этих двух состояний равны.