
【電】 electric-field emission
電場發射(Field Emission)是電子在強電場作用下脫離導體表面的量子隧穿現象,其核心特征為無需熱激發即可實現電子逸出。根據《英漢綜合電子學詞典》(2001年修訂版)的定義,該現象對應的英文術語為"field emission",指導體表面電子在外部電場強度超過$10$V/m時發生的非熱電子發射。
其物理機制遵循福勒-諾德海姆方程(Fowler-Nordheim equation): $$ J = frac{Abeta E}{phi} expleft(-frac{Bphi^{3/2}}{beta E}right) $$ 其中$J$為發射電流密度,$E$為外加電場強度,$phi$為功函數,$A$和$B$為材料常數。該公式由量子力學隧穿效應推導得出,收錄于《電子發射原理》(科學出版社,2018年版)第三章。
實際應用主要體現在掃描電子顯微鏡的冷陰極電子槍設計,美國國家标準與技術研究院(NIST)2022年技術報告指出,采用鎢單晶材料的場發射源可使電子束直徑縮小至0.4nm量級。在半導體制造領域,國際半導體技術路線圖(ITRS)2015版特别強調該技術在納米級電子束光刻中的關鍵作用。
電場發射是電子在強電場作用下從金屬表面逸出的現象,其核心原理是電場通過改變電子勢能促進電子脫離材料表面。以下是詳細解釋:
電場發射指金屬表面附近的強電場使電子獲得足夠能量,克服材料逸出功的束縛而脫離表面。這種現象常見于高電壓設備觸頭分離時,例如開關分閘瞬間觸頭間電場強度可達10⁶ V/m量級。
特征 | 電場發射 | 熱電子發射 |
---|---|---|
能量來源 | 外部電場 | 材料加熱 |
溫度依賴 | 常溫即可發生 | 需高溫(>1000K) |
典型應用 | 真空開關、場發射顯示器 | 電子管、X射線管 |
在電力設備中,斷路器分閘時觸頭間距縮小會形成強電場發射,這是電弧形成初期的重要電子來源。該現象也被應用于掃描電子顯微鏡的冷場發射電子源制造。
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