场致发射的模拟解析
场致发射显微镜(FEM)
场致发射显微镜（FEM）一场致发射研究的历史回顾场致发射发现于1897年。
1992 年LIlienfeld用尖端阴极作x 射线管的电子源。
1828年弥勒和诺德海姆用波动力学解释场致发射, 为场致发射理论奠定了基础。
1940 年电子显微镜发明之后, 弥勒--诺德海姆场致发射公式才得到准确的实验。
证1937年Muller 引进场致发射显微镜的概念, 用它观察尖端的场发射图像, 可以了解晶体排列,研究外来原子在金属表面的吸附和解吸, 以及吸附原子在金属表面的迁移等现象。
1941年Muller 又发现吸附原子在强负电场作用下的解吸现象, 这导致1951年设计出场离子显微镜。
1967 年场离子显微镜发展到原子探针的阶段, 用它可以检查场离子图上任意一点的质谱性质。
在四十年代末期, 为了给积极发展的微波管提供有效的电子发射源, 开始了对场发射阴极的系统研究, 包括对极限电流密度、场发射电流稳定性、“热”场致发射等的研究。
五十年代由于超高真空技术的发展, 在Dyke及其同事的努力下, 稳定的场致发射已经基本上可以实现。
他们采用多尖端阴极, 并将它首先应用于脉冲（闪光）x光管中，以后发展为商用的场发射x光管（Fexirton）和场发射电子注管（Febetron）。
在六十年代初期, 有人提出用大功率电子注来加热原子核使之达到产生热核聚变的温度, 因此开始建立了许多大功率脉冲电子注加速器。
这种加速器在几百千伏到10兆伏的脉冲加速电压下, 从尖端或刀口阴极发射104A—106A 的电流, 电子注的脉冲功率达1014—1013W。
这种电子注称为相对论性强流电子注, 除了可以产生高强度闪光x射线外, 还可以产生大功率激光、大功率激波、毫米波、亚毫米波, 模拟辐射效应, 还可能用于等离子体加热、约束等离子体、电子注聚变等方面。
这时阴极发射的机理和一般场发射不同, 称等离子体场发射, 苏联称之为爆发电子发射。
随着六十年代末期扫描电子显微镜和表面物理分析仪器的蓬勃发展, 要求有高亮度，细小直径的电子束。
场致发射原理范文
场致发射原理范文场致发射（Field Emission）是一种利用电场高强度的原理，从密集的金属尖端（例如钨尖、铕尖等）发射出电子的现象。
它是一种重要的电子发射机制，广泛应用于电子显微镜、射频微波器件、荧光显示器等领域。
本文将详细介绍场致发射的基本原理及其应用。
场致发射的原理基于量子力学的隧道效应。
当金属中存在一个极强的电场时，电子将被束缚在金属表面的费米能级附近。
如果金属尖端存在几何形状的尖缘，尖缘周围的电场会进一步增强，使得费米能级在尖端附近弯曲。
当电场强度超过一些阈值（一般为10^7～10^8V/m），电子有足够的能量穿过势垒，从金属尖端逸出发射。
场致发射的电子具有高速、高亮度和稳定性的特点，适用于要求高分辨率和高灵敏度的应用。
场致发射的机理可以通过费米面的形变来解释。
当金属尖端附近的电场强度增加时，费米面在尖端附近形成一个“弯曲”，即费米能级随距离的变化而变化。
这个费米面的弯曲导致了能态在空间上的重叠，即形成了一系列的波函数。
根据波函数的正交性，这些波函数中的一部分将趋向无穷大，使电子能够隧道穿过势垒，从而实现发射。
为了实现场致发射，需要满足一定的条件。
首先，金属尖端的半径应该尽量小，以增大周围的电场强度。
其次，金属尖端的表面应该尽量光滑，以防止电子被表面缺陷散射。
同时，正常的材料表面都会存在气体吸附，吸附的气体会降低电子隧穿经过的概率，因此需要对尖端进行氧化处理等，减少气体吸附。
最后，为了保证金属尖端之间形成足够的电场强度，通常需要对尖端进行高电压的加速。
场致发射在电子技术中有着广泛的应用。
最常见的应用之一是电子显微镜。
电子显微镜利用场致发射的高能电子来替代传统的光学显微镜，可以获得更高的分辨率和放大倍数。
此外，场致发射还用于制造射频微波器件，例如场发射管和冷阴极管。
在场发射管中，电场强度被用于控制电子的发射和加速；而在冷阴极管中，场致发射的电子作为多个发射源之一，被用于激发荧光屏。
此外，场致发射还用于荧光显示器和光电倍增管等领域。
焊接工艺学习题解答
第一章1、解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。
焊接电弧：由焊接电源提供能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。
热电离：气体粒子受热的作用而产生电离的过程。
场致电离：在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子的运动被加速，最终与中性粒子发生非弹性碰撞而产生电离。
光电离：中性粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程。
热发射：固态或者液态物质（金属）表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出表面的现象。
场致发射：当固态或者液态物质（金属）表面空间存在强电场时，会使阴极较多的电子在电场的作用下获得足够的能量而克服电荷之间的静电吸引而发射出表面。
光发射：当固态或者液态物质（金属）表面接受光射线的辐射能量时，电极表面的自由电子能量增加最后飞出电极表面的现象。
粒子碰撞发射：当高速运动的粒子（电子或正离子）会碰撞金属电极表面，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面的现象。
冷阴极型电极：当使用钢，铜，铝等材料作为阴极时，其熔点和沸点都较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子，这种电弧称为“冷阴极电弧”，电极称为“冷阴极型电极”。
热阴极型电极：当使用钨，碳等材料作阴极时，其熔点和沸点都较高，阴极可以被加热到很高的温度，电弧阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧称为“热阴极电弧”，电极称为“热阴极型电极”。
2、试述电弧中带电粒子的产生方式。
答：电弧中的带电粒子指的是电子、正离子和负离子。
赖以引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子是电子和正离子，这两种带电粒子的产生主要依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个过程。
气体的电离形式有：热电离，场致电离和光电离。
电子发射方式有：热发射场致发射光发射粒子碰撞发射3、焊接电弧由哪几个区域组成？试述各区域的导电机构。
碳纳米管阴极场致发射的电场数值模拟
一
般需 要采 用数值 方法 ， 如有 限差 分 、 限元 和 例 有 有 限元 素法就 是在 能量 取极 值 （ 变分原 理 ） 的
电荷密 度等 方法 ．
基础上 ， 于整个 连续 的空 间域进 行 离散化 ； 过 对 通
之 间的距 离 为 ．
效 率 比较高 的数值 模拟 方法 ．
・作者简介： 善 ） ． 力学 辛 （ １， １ 霉！尊州厶， ： 曼 史原工学院电子信息 学院博－， Ｉ从事纳米材料及器件的制备与应用技术， ： 碳纳米管的
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电学 、 学 特 性 等 方 面 的 研 究 ． 热
收疆日 莽垒 期 国 然科学基金重 项旦： 家自 点项目 ６ ３ １ 。６基金（ ０Ａ３ ０ ） （ ０６ ０ ８３ ０ ０） ２ １Ａ１ ９ 资助项目， ０ ３０ 教育部博士点重点罄金项目 ２ ０ ９ ３． （ ０ ６８ ） ００ ２
以阴极板底 端 的 中心 点 为 坐 标原 点 ， 平行 于 碳纳 米 管并 指 向阳极 的方 向为 Ｙ轴 正 方 向 ， 垂直 于碳 纳 米管并 指 向右 侧 方 向 为 轴 正 方 向 ， 立 建
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单 元分 析和集 合体 之 间建立结 构 上 的线性 数学关
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第２ 期
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李 玉魁 ， ： 等 碳纳米管阴极场致发射的电场数值模拟
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由静 电场模 拟可 知 ， 纳米 管 的 管 间 距 是 影 碳
高亮度高电压彩色场致发射显示技术
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２０ 年第 ４ ０６ 期
显 示 器 件 技 术
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场发射扫描电镜原理
场发射扫描电镜原理场发射扫描电镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy，FE-SEM）是一种高分辨率、高清晰度的电镜技术。
其原理是在极细的钨（W）尖端处实现高强度的电场，这个电场可以帮助电子从钨尖端跃迁到样品上，形成高能的电子束，用来扫描和成像样品表面。
FE-SEM主要包括场致发射和电子透镜系统两个关键部分。
其中，场致发射是产生高强度电场的过程，通常采用极细的钨尖作为阴极，在其表面施加高电压，使钨尖表面的电子能够克服表面张力势垒跃出，并且形成高强度的电场。
在这种条件下，钨尖表面的电子被聚集在针尖旁边近似球形区域内，形成一种被称为“自发致密区”（Self-Assembled Dense Region，SADR）的结构。
这个结构在钨尖表面周围，造成高强度电场，在这个电场中，靠近钨尖表面的电子通过场致发射跃迁到样品表面，形成高能的电子束。
电子透镜系统由磁场和电场组成，用来引导和聚焦电子束。
其中，强壮的磁场和透镜系统是FE-SEM的一个关键组件，用于弯曲桥架射束中的电子，确定电子束扫描的方向和位置。
另一方面，电子透镜由多组电极组成，根据网格的配置和设计，可以对电子束进行聚焦。
这个过程可以在聚焦点上产生高度聚焦的电子束，使得电子束与样品表面的距离减小，进而在样品表面上产生高分辨率图像。
在FE-SEM中，电子束的扫描和成像过程是快速的。
电子束的聚焦和聚焦所花费的时间和贡献非常小。
因此，它可以在高速、高解析度和高图像质量的条件下对不同样品进行成像和分析。
其图像质量和解析度可以达到亚纳米级别，可以对大量的材料、结构和器件进行微观结构表征和研究。
尤其对于材料科学、纳米科学、生物医学和材料工程领域，FE-SEM已经成为一种不可或缺的研究手段。
第五章 场致电子发射
第五章 场致电子发射场致发射：依靠外加强电场压抑物体表面势垒，使势垒高度降低，势垒宽度变窄，这样物体内的电子通过隧道效应穿透过表面势垒而逸出。
优点：电流密度大，107A/cm 2，热发射，几百A/cm 2；冷阴极（无须加热阴极）问题：发射的稳定性，阴极寿命还未完全解决产生强电场的方法：1、 提高电压，发射体做成曲率半径很小的尖端形式。
2、 采用薄膜技术，缩短阴阳极间距离。
5.1 金属场致发射理论一、与经典理论的矛盾 加速场：肖特基效应||'εϕϕke e −=，)||44.0exp(0εT j j a = 1、 E 较强时，实验结果得出的电流大于上式2、 E 较强时，低温时（T<1000K ），电流与温度无关二、场致发射的定性解释 场致发射：)exp(2EB AE j E −= A ，B 是与φ有关的常数 E x 大于Wa 的电子，仍有可能被势垒反射回金属内部 E x 小于Wa 的电子，也可能“穿透势垒”而逸出――隧道效应势垒曲线a ：零场，理查生－德施曼方式（势垒无限宽，考虑偶电层力，镜像力） 曲线b ： 弱电场，肖特基效应（势垒高度降低，宽度变窄，只考虑了势垒高度的降低，是弱电场的热发射。
温度对发射的影响远大于电场对发射的影响）微粒性 势垒很宽：热反射电子数目》遂穿电子数目曲线c ：低温、强电场，隧道效应（势垒高度进一步降低，宽度变窄到电子波长数量级，隧道效应起主要作用，隧穿电子数目）热反射电子数目，j 可达108A/cm 2，T<1000K 场致发射，温度对发射的影响则不大。
）波动性 曲线d ：极强电场，成本高，没有必要隧道效应粒子能穿透比动能更高的势垒的现象，隧道效应是微观粒子具有波动性的表现，隧道效应对势垒宽度十分敏感如一个α粒子穿过一个势垒：V 0－E 势垒宽度a 透射系数|T|21MeV ~10-14m 10−41MeV ~10-13m ~10-38对于宏观物体，隧道效应在实际上已经没有意义。
场致发射应用新观点
热电子发射密度 ：
We j AT exp kT
2
场致电子发射 ：
p j j0 sin p
其中：
bWe j0 Bd exp d
2
kT p d
谢谢大家！
请各位老师同学指点！
场致发射应用新观点
——挑战传统CRT显示技术
一、问题的提出 上个世纪由CRT统治整个显示技术领域！ CRT（Cathode Ray Tube ）突出优点： 1 、具有高分辨率 2 、轻易实现的高亮度及很好的对比度 3 、能够显示丰富的彩色色调和图象层次 4 、显示速度快 ——被人们认为是图文显示的标准
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两者比较：
1、电子的能量分散 热发射电子来源于固体内电子的费 米分布的高端尾部 场致发射电子多数不是从能量分布 的拖尾部，而是从费米能级附近发出的。 因此场致发射电子的能量分散比热 发射电子要小的多！
2、电子的方向分布 热电子发射方向余弦分布：
逐渐暴露的缺点： 1、体积大 2、重量大 3、功耗大 4、屏幕越大 显象管越长
显示技术首要解决的问题： 实现显示器件的平板化！
二．问题的铺垫
从固体中发射出（自由）电子按原理分 主要有： 1 、热电子发射 ——传统CRT的原理 2 、场致电子发射 ——新技术核心
固体体内电子的运动状态是量子化的: 能量的 费米-狄拉克分布。
联想到“尖端放电”！ 只要将场致发射体（阴极）做成曲率半 径很小的针尖 。 电场强度E可以用以下经验公式估算：
E 2.32
V h
三、问题的分析
要实现显示器件的平板化 ，必须去 掉传统CRT显示器的聚焦偏转部分。
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场致发射的模拟
场致发射的模拟各类电真空器件，各种应用电子束、离子束的分析仪器和加工设备，都需要有一个能满足不同要求的电子源或离子源。
固体内部含有大量的电子，但必需用不同形式的外界能量与物体作用，以激发这些电子才能获得电子发射。
按照外界激发能量的不同形式，电子发射可以分为：热电子发射、光电子发射、次极电子发射、场致电子发射和自释电子发射等。
目前得到广范应用的是热阴极，它所采用的是热电子发射的原理。
热电子发射就是利用加热的方法使固体内部电子的动能增加，从而使得其中的一部分电子的动能增大到足以克服表面位垒而逸出体外，形成电子发射。
例如对于金属来说，按照索末菲自由电子模型，其内部的自由电子能量分布符合费米统计规律。
在金属表面存在一个势垒，当金属内部自由运动的电子打到金属表面时，如果其能量小于势垒高度，则它们不能克服势垒障碍而逸出金属，只有其垂直于金属表面的动能足以克服势垒作用的那些电子才能逸出金属。
当温度达到一定程度时，能量大于势垒高度的电子数较多，就会产生发射电流。