Feldemission

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Bei der Feldemission werden durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld (mehr als 10^9 V/m) Elektronen mit einer sehr geringen Energiebreite aus einer Kathode gelöst. Klassisch betrachtet ist es für ein Teilchen mit einer bestimmten mittleren thermischen Energie, die kleiner ist als die Höhe der Austrittsarbeit, unmöglich, das Kathodenmaterial zu verlassen. Quantenmechanisch betrachtet gibt es jedoch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Elektronen genügend Energie haben, um aus dem Festkörper auszutreten. Diese werden dann durch das hohe äußere Feld abgesaugt.

[Bearbeiten] Geschichte

Das Austreten von Elektronen aus einem Festkörper war einer der ersten Forschungsgegenstände der Quantenmechanik. Von Erwin Wilhelm Müller wurde das Feldemissionsmikroskop erfunden, mit welchem erstmals Vorgänge auf atomarer Ebene auf Metalloberflächen untersucht werden konnten. Auch der Tunneleffekt beruht quantenmechanisch auf ähnlichen Modellvorstellungen. Er wurde 1928 von Ralph H. Fowler und Lothar Nordheim erstmals theoretisch beschrieben (R.H. Fowler and L. Nordheim, Proc. Roy. Soc. Lond., A119, 173 (1928)).

[Bearbeiten] Anwendungen

Die durch Feldemission im Vakuum erzeugten freien Elektronen werden im heute weitgehend durch andere Elektronenmikroskope abgelösten Feldemissionsmikroskop direkt dazu benutzt, ein Abbild, z.B. einer Wolframspitze, zu erzeugen. Dabei sind sowohl Unebenheiten (Erhebungen führen zu einem stärkeren Feld) als auch regionale, kristallstrukturbedingte Unterschiede der Austrittsarbeit sichtbar. In Strahlerzeugungssystemen moderner Elektronenmikroskope werden verbreitet Feldemissionskathoden benutzt, da die hohe räumliche und temporäre Kohärenz feldemittierter Elektronen Vorteile für die elektronenoptische Abbildung mit sich bringt.

Das Rastertunnelmikroskop verwendet sehr kleine Spannungen und eine mit sehr geringen Abstand zeilenweise über die Probe geführte Nadel zur Abtastung. Der Nadelabstand wird anhand des Stromes zwischen Probe und Nadel nachgeführt, wobei das Nachführsignal ein Abbild der lokalen Zustandsdichte der Probe am Ferminiveau ist. Dies entspricht für Metalle mit einfacher elektronischer Struktur der Topographie der Probenoberfläche.

Feldemissionsbildschirme sind eine Anwendung der Feldemission, die sich jedoch nie durchsetzen konnte.

Auch Vakuum-Fluoreszenz-Displays sind nach dem Prinzip der Feldemission herstellbar, sind jedoch aufgrund der hohen Betriebsspannung nicht gebräuchlich (--> siehe für die Displayanwendung: C.A. Spindt, J. Appl. Phys. 39 (1968) 3504). Im Gegensatz zur Glühemission ist die Kathode bei der Feldemission kalt. Sie ist daher in bestimmten Anwendungen energieeffizienter.

In Elektronenröhren für hohe Spannungen ist Feldemission unerwünscht und muss durch glatte, reine und fehlerfreie Elektrodenoberflächen vermieden werden.