Bazı katılar, ısıya (termoemisyon), elektromanyetik radyasyona (fotoemisyon) veya bir elektrik alanına (alan emisyonu) maruz kaldıklarında yüzeylerinden elektron salarlar. Çeşitli tezahürlerinde vakum tüpleri ve katot ışını tüpleri ve elektron mikroskopları dahil olmak üzere elektroniğin çoğu, metallerden elektron emisyonuna ve bu elektronların çeşitli görevleri yerine getirme yeteneğine bağlıdır. Bu makale, katılardan elektron emisyonunun tarihçesi ve teorisi hakkında bilgi sağlar.
İçindekiler
Tarih
Katılardan elektron emisyonu, bir gaz veya vakumda elektrik iletiminin altında yatan temel bir süreçtir ve bu nedenle bilimsel olarak gözlemlenen ilk fenomenler arasındadır. 18. yüzyılın ortalarında, Jean-Antoine Nollet ve William Morgan, kısmen boşaltılmış tüplerdeki elektrik deşarjlarının geçişinin elektrotlar arasında bir parıltı ürettiğini gösteren deneyler yaptılar. 19. yüzyılda Johann Hittorf ve Sir William Crookes, bir vakum tüpünde katot tarafından üretilen ve camın parlamasına ve kararmasına neden olan görünmez ışık üreten radyasyonu bağımsız olarak araştırdılar.
Randevu
1897’de Joseph John Thomson, bu katot ışınlarının aslında negatif yüklü parçacıkların (yani elektronların) paketleri olduğunu gösterdi. Yük ve kütle oranlarını ölçtü ve bunların elektrik ve manyetik alanlardaki davranışlarını kaydetti. Thomas Edison, 1884’te, amplifikatör tüplerinin öncüsü olan, vakum zarfı içinde elektrik alanında parlayan bir telden oluşan ısı yayan bir cihazın patentini aldı. İlk araştırmacılar, klasik elektrik teorisiyle açıklanamayan, ancak 1905’te Albert Einstein tarafından bir kuantum süreciyle doğru bir şekilde açıklanan bir gözlem olan, dalga boyuna bağlı olarak ışık emisyonunun keskin eşiği karşısında şaşkına dönmüştü.
Fosforlu bir ekranla donatılmış katot ışın tüpü (CRT), önce bilimsel aletlerde, osiloskoplar gibi cihazlarda ve daha sonra televizyon ve bilgisayar ekranlarında elektronik sinyalleri görünür görüntülere dönüştürmek için birincil cihaz haline geldi. Modern CRT’ler, termal veya optik emisyon kaynaklarından daha uzun ömür, parlaklık ve odaklama gücü sağlayan, alan emisyonlu elektronik tabancalara dayalıdır. CRT’deki elektron kaynağı, zayıf bir sinyal için bir antenden gelen bir triyot veya mantık devresinden bir bilgisayar yükselticisi gibi davranır. Bu elektron kaynağı ayrıca, temelde tek boyutlu bir elektronik sinyalden iki boyutlu bir görüntü oluşturmak için bir elektron ışınını fosforlu bir arka plan üzerinde sabit bir hızda hareket ettiren bir manyetik reflektör içerir.
Zworykin, sırasıyla 1923 ve 1935’te iyonoskopu ve şaşırtıcı ışık tüpünü icat etti ve televizyon ve video kameraların temellerini attı. Bir televizyon kamerası, fotonları görüntü yayma prensibiyle çalışan elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihaz olarak tanımlanır. İlk versiyonlarda tüpler vardı, ancak daha sonra kameralar yarı iletken teknolojisini kullandı. İletim ve taramalı elektron mikroskopları, yüksek çözünürlüklü görüntüler üretmek için elektronların optik özelliklerini, özellikle daha kısa dalga boyunu kullanır. İlk prototipler, 1930’larda, ancak II. Dünya Savaşı sırasında Max Knoll ve Ernst Ruska tarafından geliştirildi. Pratik elektron mikroskopları 2. Dünya Savaşı’na kadar yoktu. Transmisyon elektron mikroskopları, maksimum parlaklığa, minimum aralığa ve yüksek odaklanabilirliğe sahip bir elektron ışını gerektirir ve giderek daha karmaşık hale gelen elektron ışını teknolojisinin geliştirilmesine yönelik talepler oluşturmaya devam eder.
Elektron ışınları yüksek çözünürlüklü, yüksek çözünürlüklü enerji sağlayabilir. 1950’lerde ve 1960’ların başında, minyatür ölçekte kaynak, işleme ve metal arıtmada elektron ışınlarının kullanımı üzerine önemli araştırmalar yapıldı. Vakumda çalışma ihtiyacı nedeniyle bu cihazlar hantaldır ve bu teknoloji büyük ölçüde lazerler tarafından desteklenmiştir. Elektron ışını manyetik manipülasyonuna dayalı oldukça esnek ve güçlü lazerlerin geliştirilmesi, elektron ışını teknolojisini cihazların en ileri noktasına getirdi.
genelleştirilmiş teori
Bir metaldeki elektronlar, tek tek dış kabuk elektronlarının bir elektrik alanının etkisi altında serbestçe hareket edebildiği bir elektron gazı formu olarak görselleştirilebilir ve modellenebilir. Elektronların bu hareketi, elektrik devrelerinin işlevinden sorumludur. Bir metalin yüzeyinde, belirli koşullar karşılanmadıkça elektronların kaçmasını önleyen potansiyel bir bariyer vardır; bu noktada metal, elektronları çevreleyen vakuma veya gaza yayar. Bu emisyon, akım taşıyan ve ışık manipüle edildiğinde çeşitli şekillerde manipüle edilebilen bir serbest elektron demeti üretir.
Elektrik ışınlarının hem akım taşıma hem de ışık taşıma özellikleri, onları elektronikte vazgeçilmez kılan benzersiz yönlere sahiptir. Bir metalin yüzeyindeki elektronların davranışı bir kuantum etkisidir ve atomlara bağlı elektronlar ayrık enerji hallerindedir. Temel durumda, mutlak sıfır sıcaklığına karşılık gelen elektron ya mevcut olabilir ya da enerjiyi soğurabilir. Elektromanyetik radyasyon, ısı veya radyasyon ile belirgin bir yüksek enerji seviyesine yükseltilebilir. Metallerde ve kristal katılarda, paylaşılan elektronlar ayrı enerji seviyeleri yerine enerji bantlarını işgal eder.
Elektronlar katı bir yüzeyden kaçamaz çünkü katıdaki temel durum elektronu olan dış kabuğun enerjisi, vakumdaki serbest elektronun enerjisinden daha azdır. Yüzeyden bir elektron koparmak için, yüzey potansiyel engelini çevreleyen ortamdaki serbest elektronun enerjisine eşit veya daha yüksek bir enerjiyle geçmesi veya geçmesi gerekir. Tünel açma olgusunun, spesifik olduğu durumlarda, alan emisyonu bağlamında meydana geldiğine inanılmaktadır. Sıcak bir iletkenden elektronların fırlatılması termiyonik emisyon olarak bilinir. En basit haliyle, bir termal cihaz, ısıtılmış negatif yüklü bir katottan bir elektron donörü görevi görür ve her ikisi de bir vakum içine – genellikle bir cam tüp – kapatılan serbest bırakılan elektronları çekmek için pozitif yüklü bir anottan oluşur. Vakum gereklidir çünkü gazdan geçen elektronlar gazı ısıtmak için dağılır ve enerjilerini dağıtır. Ayrıca katot ile tüp içindeki herhangi bir malzeme arasındaki kimyasal reaksiyonlar katodu zehirler ve emisyonları azaltır. Yayılan elektronları çekecek bir anot yoksa, katot çevresinde bir vakum yükü oluşturarak elektronların yayılması için gereken enerjiyi arttırırlar.
Fotoemisyon, gelen bir elektromanyetik radyasyon fotonu ile bir metal veya elektromanyetik yarı iletken yüzeyden gelen yakındaki bir elektron arasındaki etkileşime dayanır. Onunla etkileşime giren elektron, gelen fotonun enerjisini soğurur (E = hv, burada v frekanstır ve h, Planck sabitidir). Elektron emisyonu, bir fotonun enerjisi, Fermi enerji düzeyi ile boşluktaki serbest bir elektronun enerjisi arasındaki farkı aştığında meydana gelir. Bu fark, PV eşik enerjisi olarak bilinir ve metaldeki işle aynı işlevdir. Katot ve anot arasında yüksek bir potansiyel farkı olduğunda alan emisyonu veya soğuk emisyon meydana gelir. Elektrik alanın varlığı, metal yüzeyindeki potansiyel bariyerin deformasyonuna ve incelmesine neden olur. Elektron parçacıktan çok dalga gibi davranır. Dalga fonksiyonu, potansiyel engelde kaybolmaz, ancak engelin dışındaki elektron konumunun sonlu olasılığı ile bozulur. Bir elektronun engeli aşmak için enerji kazanmadığı için bariyerden geçtiği söylenir.
Bir alan yayıcıdaki gerçek yayıcı, yuvarlak uçlu çok ince bir telden oluşur. Çapı mikroskobik 100 angstrom olabilen uç, bir konide yayılan elektronlar için bir nokta kaynağı görevi görür. Alan emisyonu ve iyonizasyon mikroskoplarında, radyasyon emisyonunun radyal modeli bir büyütme sistemi görevi görür; Elektron mikroskopları ve katot ışın tüpleri (CRT’ler) gibi diğer elektron ışını uygulamalarında, ışın elektromanyetik merceklerle odaklanır. İnce bariyerin olduğu Fermi enerji seviyesindeki veya yakınındaki elektronlar alan emisyonuna daha fazla katkıda bulunur. Bununla birlikte, alan emisyonu yalnızca zayıf bir şekilde sıcaklığa bağlıdır. İkincil emisyon, bir elektron demetinden gelen elektronlar, başka bir elektron demeti oluşturmak üzere bir hedeften elektronları geri kazanmak için kullanıldığında meydana gelir. Bir elektron üç ila otuz ikincil elektron üretebildiğinden, ikincil emisyon amplifikasyonla sonuçlanır ve fotoçoğaltıcı tüplerde kullanılır.
kaynak:
https://science.visualstories.com/electron-emission-from-solids-ii-applications
https://www.researchgate.net/publication/224467930_Electron_emission_theory_and_its_application_Fowler-Nordheim_equation_and_beyond
yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]