Чистяков Ч1

Проверить справедливость формулы (10) в зависимости от поля и работы выхода можно, производя логарифмирование

E

Здесь должна получиться прямая как в зависимости от 1/Е (при φ0 = const ), так и в зависимости от ϕ302 (при Е = const ). Экспериментальная проверка подтвердила справедливость формулы (9) в зависимости от этих двух факторов.

На опыте для автоэмиссии определяется зависимость тока с катода от напряжения I = f(U). Соотношение силы тока с его плотностью можно записать как

I = jA ,

где A - эффективная площадь эмиттера. Связь поля с приложенным напряжением выразится как

E = βU ,

где β - геометрический фактор, зависящий от формы электродов, острия - катода и анода. Методы определения величин А и β приведены в монографии [1].

При одновременном нагреве эмиттера и действии электрического поля возникает термоавтоэлектронная эмиссия. Теория этого вида эмиссии строится с использованием общей формулы эмиссии (5) и функции распределения Ферми (6) при Т≠0. Для получения результатов по плотности тока термоавтоэлектронной эмиссии с успехом использованы методы численного интегрирования [2].

1.4.Опыты по автоэлектронной эмиссии при большой плотности тока

Вработах 30- и 40-х гг. производились исследования автоэлектронной эмиссии

встационарных режимах при плотности тока, не превышающей 106 А/см2. Эта плотность тока, являясь очень большой по сравнению с полученной при других видах эмиссий, однако не предельна для автоэлектронной эмиссии. Следует отметить также, что даже лучшие работы этого периода имели экспериментальные ошибки из-за приблизительных расчетов электрического поля у острия-эмиттера и недостаточной чистоты его поверхности.

Большое число работ по автоэлектронной эмиссии было выполнено в 50-е годы после разработки техники сверхвысокого вакуума и импульсной техники. Эти достижения дали возможность работать длительное время с атомно-чистыми поверхностями, а также поднять величину плотности тока до 108 А/см2.

Поверхность поликристаллического острия-эмиттера имеет, как это показано на

11

рис. 4, отдельные микроскопические неровности, появление которых вызвано тем, что острие состоит из различно ориентированных блоков. В этом случае эмиссия возникнет в первую очередь из отдельных микро-острий, площадь эмиттирующей поверхности будет неопределенной, а эмиссия нестабильной, так как радиусы этих микро-острий очень малы. С использованием монокристаллов удается получить гладкие эмиттеры определенной формы (рис.5) с радиусами острий от 0,1 до 5 мк (10-5–5 10-4 см), которые в условиях сверхвысокого вакуума могут стабильно работать в течение длительного времени. Геометрия острий контролируется с помощью электронного микроскопа.

Задача исследований автоэлектронной эмиссии с использованием импульсной техники, монокристаллических эмиттеров и сверхвысокого вакуума в диапазоне плотностей токов от 106 А/см2 и выше была поставлена в работе Дайка и сотрудников [3]. На рис. 6 дан один из результатов этих исследований. Зависимость тока от напряжения представлена в полулогарифмическом масштабе. График зависимости имеет три участка:

1)участок между точками А и В, отвечающий плотностям тока, меньшим 106 А/см2, совпадает с расчетными результатами по основной формуле (9);

2)участок ВС, на котором скорость роста тока в зависимости от напряжения понижается, что связано с возрастанием роли объемного заряда электронов у поверхности эмиттера;

3)участок СD, на котором скорость роста тока вновь увеличивается, так как появляется еще и термоэлектронная эмиссия. Последняя возникает в результате сильного омического нагрева острия протекающим током. Этот участок завершился при плотности тока 108 А/см2 взрывом кончика эмиттера и вакуумной дугой в парах вольфрама, которая привела к оплавлению и порче эмиттера. Участки ВС и СD, соответствующие плотности тока в диапазоне 106 – 108 А/см2 , были измерены в импульсном режиме при длительности импульса порядка 1 мкс.

Работы, проведенные по автоэлектронной эмиссии в 50-е годы, способствовали появлению целого ряда ее практических применений.

12

Рис. 4. Поверхность поликристаллического острия-эмиттера

Рис. 5. Поверхность монокристаллического острия-эмиттера

Рис. 6. Зависимость логарифма тока автоэлектронной эмиссии от напряжения тока при больших плотностях тока.

13

1.5. Применение автоэлектронной эмиссии

Автоэлектронная эмиссия обладает свойствами весьма полезными для использования в электрофизических приборах и установках:

-эмиссия не зависит от температуры эмиттера, т.е. не требуется мощность на подогрев, как для Термоэмиссионных катодов;

-плотность тока эмиссии является уникальной и на 4-5 порядков превосходит максимальную плотность тока, которую могут дать термоэмиссионные катоды;

-эмиссия безынерционная;

-автоэмиттер представляет собой практически точечный источник электронов;

-крутизна изменения тока в зависимости от напряжения очень велика.

Однако при использовании автоэмиттеров в приборах и установках встречаются и значительные трудности. К их числу относится, прежде всего, необходимость получения в приборах с автоэмиттерами сверхвысокого вакуума, поскольку иначе на поверхности автоэмиттера будет образовываться адсорбированный слой молекул остаточных газов объема прибора, таких как Н2 , O2 , CO , CO2 , H2O и др., которые будут произвольно изменять работу выхода эмиттера. При этом полностью нарушится стабильность тока эмиссии. Кроме того, молекулы остаточного газа ионизируются в сильном электрическом поле прибора, что приводит к ионной бомбардировке, вызывающей распыление и изменение формы эмиттера. Процесс будет усугубляться миграцией атомов металла при распылении. Все эти процессы приводят к сокращению срока службы эмиттера. Следует сказать, что отрицательное влияние процесса ионной бомбардировки эмиттера значительно понижается при использовании СВЧ поля; в этом случае в приборе допустим вакуум порядка 10-7 тор.

Устранить монослой молекул с поверхности эмиттера можно, нагревая его до определенной температуры в обычном высоком вакууме 10-6–10-7 тор, однако подогрев не устраняет опасности ионной бомбардировки эмиттера в постоянном или низкочастотном поле. Подогрев эмиттера и использование СВЧ поля дают положительные результаты, однако получение и поддержание сверхвысокого вакуума весьма желательны, поскольку это более радикально устраняет нестабильность эмиссии, возникающей из-за формирования адсорбированного слоя, ионной бомбардировки и сопутствующих ей процессов на эмиттере.

Другие трудности - получение монокристаллических эмиттеров и контроль их формы - в настоящее время преодолены.

14

Рассмотрим некоторые приборы, использующие явление автоэлектронной эмиссии:

1.Инжектор электронов для линейного ускорителя на СВЧ поле. Схема инжектора-резонатора с автокатодом показана на рис. 7 [4]. В режиме автоэлектронной эмиссии получены хорошие результаты с эмиттером из карбида циркония. При радиусе эмиттера 2 мк был получен ток в импульсе до 150 мА в течение 100 ч. Автоэлектронная пушка для линейного ускорителя электронов, дающая импульсный ток в 1 А, описана в работе [5] .

Эмиттеры изготовлялись из вольфрама (диаметр острий 6–10 мк), предусматривался нагрев эмиттеров до температуры 1000–2000° С. При испытании пушки вакуум был порядка 10-6 тор.

Имеется сообщение об использовании автоэмиттера для СВЧ инжектора в микротроне.

2.Выпрямитель с автоэмиттером. Промышленных приборов такого типа до сих пор не имеется, однако сообщения о приборах уже были. Недостатком такого выпрямителя будет большое падение напряжения и потери мощности в приборе в проводящий период, достоинством - отсутствие накала катода.

3.Автоэлектронный микроскоп - проектор [1]. Было показано, что при сравнительно небольших плотностях тока распределение автотока на поверхности эмиттера целиком определяется кристаллографической структурой эмиттирующей поверхности. Таким образом, исследование увеличенной картины распределения плотности автотока может дать много данных о явлениях на поверхности твердого тела.

На рис. 8 показан прибор - автоэлектронный проектор, который дает возможность производить эти исследования. Если между эмиттером-катодом Э и тонким проводящим слоем – анодом П приложить достаточную разность потенциалов, то электроны ускоряясь пройдут с небольшой потерей энергии проводящий слой П и возбудят слой люминофора ЛЭ, создавая светящуюся эмиссионную картину острия, которая воспроизводит кристаллическую структуру поверхности, увеличенную во много раз. Увеличение проектора определяется отношением радиуса эмиттера и экрана

иможет достигать 105 даже 106, соответственно разрешение составит 100 Ǻ или 10 Ǻ. При помощи автоэлектронного проектора проведены исследования в области

поверхностных явлений, таких, как адсорбция, кристаллизация, миграция, химические реакции и т.д. Устойчивая эмиссионная картина в проекторе получается при вакууме не ниже 10-9 тор, т.е. здесь необходим сверхвысокий вакуум.

15

Рис. 7. Инжектор-резонатор с автокатодом для линейного ускорителя электронов.

Рис. 8. Автоэлектронный проектор: Э – эмиттер; ЛЭ – люминесцирующий экран; П – проводящий слой.

16

2. Эмиссия из тонких диэлектрических слоев при наличии в них сильного электрического поля

Примером эмиссии, протекающей под действием ряда факторов, является эмиссия из тонких диэлектрических слоев на металлах [6]. Эта эмиссия обнаруживается, после того как на слое возникнет достаточный положительный заряд. Макроскопическое электрическое поле, необходимое для появления эмиссии, составляет обычно 105–106 В/см. Впервые эту эмиссию обнаружил в 1936 г. Малтер на окиси алюминия с толщиной слоя 2000 Ǻ, обработанной парами цезия. Положительный заряд поверхности создавался за счет вторичной электронной эмиссии при σ > 1. После попадания на поверхность эмиттера пучка первичных электронов была обнаружена эмиссия с коэффициентом σ, составившим несколько тысяч. После прекращения облучения эмиттера первичными электронами эмиссия продолжалась длительное время. Таким образом, явление оказалось инерционным. Положительный заряд на поверхности диэлектрика может создаваться не только за счет вторичной электронной эмиссии, но при прямом осаждении ионов, например из электрического разряда в газах, или при фотоэффекте из диэлектрика.

Первое объяснение явлению, которое дал еще Малтер, состояло в том, что электроны появляются за счет автоэлектронной эмиссии из металла подложки, вызванной полем, образованным положительным зарядом на диэлектрике. В работах 1952-1955 гг. высказывается предположение о том, что в слое диэлектрика происходит ионизация узлов решетки электронными ударами. По-видимому, в различных условиях преобладают различные механизмы. Рассмотрим сильно отличающиеся случаи.

2.1.Эмиссия структур металл-диэлектрик-металл (МДМ)

В1961–64 гг. появилось большое число сообщений об изучении эмиссии в структурах металл-диэлектрик-металл, например Al-Al2O3-Al, Be-BeO-Au, Ta-Ta2O5- Au. Толщина слоя диэлектрика около 100 Ǻ (60–200 Ǻ), толщина верхнего электрода (Au, Pt, Al) обычно составляет 200–300 Ǻ, подводимое напряжение 5–10 В, что соответствует полю 5 106–107 В/см. Этот эффект можно определенно приписать при низких температурах туннельному прохождению электронов из подложки в диэлектрический слой.

17

2.2. Вторичная эмиссия, усиленная электрическим полем и самоподдерживающаяся эмиссия

Усиленная полем безинерционная вторичная эмиссия наблюдается на относительно толстых ( ~10 мк и более) рыхлых слоях диэлектрика MgO , MgO-Cs , NaCl , KCl при зарядке поверхности слоя первичными электронами до разности потенциалов 50–100 В.

Самоподдерживающаяся эмиссия наблюдается у катодов, представляющих собой относительно толстые (30–40 мк) рыхлые слои диэлектрика MgO , Al2O3 и др. нанесенные на металлический керн. Эмиссия возбуждается кратковременной бомбардировкой поверхности слоя первичными электронами или освещением и сохраняется после их прекращения. Этот вид эмиссии характеризуется относительно высокой плотностью эмиссионного тока (порядка десятка миллиампер на 1 см2 падении напряжения в слое до 100–200 В).

Механизм возникновения самоподдерживающейся эмиссии - лавинообразное размножение электронов в слое за счет ударной ионизации. Стационарный ток обеспечивается дырочной проводимостью. Начальные электроны образуются в результате фотоионизации квантами, которые возникают при рекомбинации электронов и дырок, образующихся в процессе развития лавины. В пользу этого механизма говорит наличие в слое голубого свечения люминесценции, простирающегося в область ультрафиолета. Другим механизмом воспроизведения начальных электронов может быть появление туннельной (или надбарьерной) составляющей тока из подложки в связи с перераспределением поля в слое из-за накопления объемного заряда.

Оба вида эмиссии наблюдаются у слоев, обладающих весьма высокой пористостью и, по-видимому, отсутствуют у плотных слоев. Холодные катоды с самоподдерживающейся эмиссией из MgO имеют не менее 80% пустот в слое при размере гранул порядка 1 мк и толщине слоя порядка 10 мк. Большую роль играют сквозные поры, так как энергия электронов недостаточна для прострела зерен толщиной 1 мк. Вероятно, основную роль играет лавинное размножение электронов в порах.

В 1962 г. было показано, что на тонких плотных слоях Al2O3 толщиной порядка 500-1000 Ǻ, полученных методом пиролиза, наблюдается самоподдерживающаяся эмиссия, связанная с наличием в слое сквозных пор, и наоборот, на сплошных участках слоя Al2O3 ни самоподдерживающаяся, ни вторичная эмиссии с аномально высокими

18

коэффициентами не наблюдаются.

Таким образом, природа эмиссии структур МДМ при толщине слоя диэлектрика около 100 Ǻ и эмиссии, усиленной полем при толщине слоя диэлектрика порядка 105 Ǻ (10 мк) и более, считается известной. Природа эмиссии малтеровского эмиттера толщиной порядка 1000 Ǻ остается неясной, и здесь требуются дополнительные исследования. Возможно, что имеют место оба рассмотренных механизма, - как туннельные переходы из подложки в диэлектрик, так и лавинное размножение электронов в порах толстых и рыхлых слоев. В каждом конкретном случае преобладает один из механизмов. Эффект Малтера в его начальном виде не получил практического применения, из-за его сильной инерционности, однако его разновидности, описанные в настоящем параграфе, используются для катодов электронных приборов.

3. Эмиссия электронов под действием ионов и нейтральных атомных

частиц

При взаимодействии ионов или нейтральных атомов и молекул с твердым телом может возникать электронная эмиссия, которую обычно характеризуют отношением плотности тока электронов jе, эмиттируемых поверхностью твердого тела, к плотности jn. тока падающих частиц: jе/jn = γ. Этот вид эмиссии может возникать как за счет потенциальной энергии ионов или возбужденных (в частности, метастабильных) атомов, так и за счет кинетической энергии тех же частиц; в этом случае нейтральные частицы, атомы и молекулы могут быть и невозбужденными.

3.1. Потенциальная эмиссия

Потенциальная эмиссия возникает при ударах о поверхность твердого тела ионов или возбужденных атомных частиц, имеющих определенную величину потенциальной энергии. Кинетическая энергия этих частиц в данном случае роли не играет. Это могут быть очень медленные частицы с энергиями в несколько электронвольт или менее. Потенциальная эмиссия была обнаружена Ф. Пеннингом в 1928 г.

Одной из наиболее важных зависимостей эмиссии электронов под действием ионов и атомных частиц является зависимость коэффициента γ от энергии первичных частиц. На рис. 9 дана зависимость для однозарядных ионов пяти инертных газов He, Ne, Ar, Kr, Xe и мишени из вольфрама. Эти результаты были получены в работе Г.Хегструма [7] в которой использовались сверхвысокий вакуум и атомно-чистые

19

поверхности.

Как было сказано ранее, коэффициент γ при малых энергиях ионов или нейтральных частиц практически независим от их энергии. Для рассматриваемого случая инертных газов эта независимость имела место в области энергий от нуля до ~103 эВ. Таким образом, в этом диапазоне энергий кинетическая энергия иона не может рассматриваться как фактор, вызывающий появление электронной эмиссии. С другой стороны, данные рис. 9 указывают на сильную зависимость γ от потенциальной энергии иона.

Еще в первых работах по потенциальной эмиссии, вызываемой ионами, опытным путем было получено следующее условие возникновения этой эмиссии для данного вида положительного иона с потенциалом ионизации Ui и для металла мишени с работой выхода φ:

В дальнейшем это условие было получено из следующих соображений. Процесс взаимодействия положительных ионов с поверхностью катода состоит, прежде всего, из нейтрализации иона, при которой металл покидает первый электрон, при этом, если потенциальная энергия иона окажется достаточной, то имеется определенная вероятность появления и второго электрона. Потенциальная картина, возникающая при взаимодействии иона с поверхностью металла в этом случае, показана на рис. 10. Как нейтрализация иона, так и эмиссия осуществляются электронами, энергия которых близка к уровню Ферми; при нейтрализации иона первый электрон с уровня -еφ попадает на нормальный уровень атома –еUi , при этом выделяется энергия

–еUi – (–eφ) = –eUi + eφ.

Для того чтобы вероятность эмиссии второго электрона была бы отлична от нуля, необходима энергия не меньше eφ. Таким образом

–eUi + eφ ≥ –eφ,

откуда и получается условие (11).

Это условие накладывает ограничение на комбинации ионов и поверхностей металлов, которые дают потенциальную эмиссию. Для вольфрама, имеющего работу выхода, близкую к 4,5 эВ, и ионов инертного газа, имеющих первые потенциалы ионизации от 24,5 для Не до 12,1 для Хе, условие (11) удовлетворяется. Можно подобрать и противоположные примеры - ионы щелочных металлов не вызовут потенциальной эмиссии как из вольфрама, так и из всей большой группы металлов, работа выхода которых близка к 4 эВ.

20