Techniklexikon

Feldemission

Atom- und MolekülphysikFestkörperphysik, Austritt von Elektronen aus der Oberfläche eines Metalls aufgrund eines äusseren elektrischen Feldes. Da es sich hierbei um eine nichtthermische Emission handelt, spricht man im Gegensatz zur Glühemission auch von Kaltemission. Der Prozess der Feldemission wurde zuerst 1897 von R.W. Wood entdeckt. Die theoretische Erklärung wurde erst 1928 von Fowler und Nordheim geliefert. Bei der Feldemission einer kalten Metallkathode ins Vakuum sind die elektronischen Energieeigenzustände bei der Temperatur T = 0 bis zur Fermi-Kante besetzt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die Potentialbarriere für Elektronen an der Oberfläche herabgesetzt. Feldemission findet dann statt, wenn die Potentialbarriere soweit herabgesetzt wird, dass Elektronen an der Fermi-Kante eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit haben, diese zu durchtunneln (Tunneleffekt). Fowler und Nordheim berechneten nach der Fermi-Dirac-Statistik die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron pro Zeiteinheit auf die Oberfläche trifft, und nach der WKB-Näherung die quantenmechanische Tunnelwahrscheinlichkeit, und gelangten zu dem Ergebnis:

wobei J die Elektronenstromdichte von der Oberfläche, A eine materialspezifische Konstante, E das elektrische Feld und B eine Konstante ist. Wird der Emitter zusätzlich geheizt, so findet ausser der Feldemission auch Glühemission (thermische Elektronenquellen) statt. Die Emission in diesem Bereich wird auch als Schottky-Emission bezeichnet. In der Praxis wird mit elektrischen Feldern im Bereich von ca. 10⁷ V / cm gearbeitet. Dabei wird in der Regel die Spannung zwischen einer gitterförmigen Anode und einer nadelförmigen Kathode, die als Emitter dient, angelegt. Diese scharfen nadelförmigen Emitter werden durch elektrolytisches Ätzen hergestellt. Typische Spitzenradien liegen bei einigen 100 nm. Gute Leitfähigkeit, hohe mechanische Stabilität sowie ein hoher Schmelzpunkt sind die erforderlichen Eigenschaften solcher Emittermaterialien. Oft werden Halbleiter wie Ge, Si sowie SiC oder andere Materialien wie LaB₆ und ZrC verwendet. Technische Anwendung findet die Feldemission z.B. in der Auger-Elektronenspektroskopie oder in der Röntgenspektroskopie in Elektronenquellen, im Feldemissionsmikroskop und in Druckmessröhren (Kaltkathoden-Druckmessröhren oder Penning-Messröhre).