چه چیزی اثر شاتکی است

شکتی افکت چیست؟

تعریف شکتی افکت

شکتی افکت به کاهش انرژی مورد نیاز برای خارج کردن الکترون‌ها از سطح یک جامد در فضای خلأ، هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود، تعریف می‌شود. این امر باعث افزایش دفع الکترون‌ها از مواد گرم شده و تأثیر بر جریان ترمیونیک، انرژی یونیزاسیون سطحی و آستانه فتوالکتریک می‌شود. این اثر به نام والتر اچ. شکتی نامگذاری شده است و برای دستگاه‌های پخش الکترون مانند تفنگ‌های الکترونی بسیار مهم است.

پخش ترمیونیک

برای درک شکتی افکت، ابتدا باید مفاهیم پخش ترمیونیک و تابع کار را مرور کنیم.

پخش ترمیونیک انتشار (آزادسازی) حامل‌های بار (یون‌ها یا الکترون‌ها) از سطح یک ماده به دلیل انرژی گرمایی داده شده به آن است. در یک ماده جامد، معمولاً یک یا دو الکترون برای هر اتم وجود دارد که می‌توانند بر اساس نظریه باند از یک اتم به اتم دیگر حرکت کنند. این الکترون‌ها می‌توانند از سطح خارج شوند اگر انرژی کافی برای غلبه بر موانع پتانسیلی که آن‌ها را به ماده متصل می‌کنند داشته باشند.

تابع کار به عنوان کمترین انرژی مورد نیاز برای خارج شدن یک الکترون از سطح یک ماده به دلیل انرژی گرمایی تعریف می‌شود. این تابع بر اساس ماده، ساختار بلوری، شرایط سطح و محیط متغیر است. یک تابع کار پایین‌تر منجر به افزایش پخش الکترون می‌شود.

رابطه بین چگالی جریان پخش ترمیونیک J و دمای T یک فلز گرم شده توسط قانون ریچاردسون که ریاضیاً مشابه معادله آرنهیوس است، تعیین می‌شود:

که در آن W تابع کار فلز، k ثابت بولتزمن و AG ضرب یک ثابت جهانی A0 در یک عامل اصلاحی مخصوص ماده λR است که معمولاً از مرتبه 0.5 است.

نقش میدان الکتریکی

حال می‌توانیم توضیح دهیم که چگونه میدان الکتریکی بر پخش ترمیونیک تأثیر می‌گذارد و اثر شکتی را ایجاد می‌کند.

اعمال یک میدان الکتریکی به یک ماده گرم شده موجب کاهش موانع پتانسیل می‌شود که اجازه می‌دهد الکترون‌های بیشتری از سطح خارج شوند. این امر تابع کار را به مقدار ΔW کاهش می‌دهد و جریان ترمیونیک را افزایش می‌دهد. کاهش موانع پتانسیل ΔW به صورت زیر محاسبه می‌شود:

معادله ریچاردسون اصلاح شده که این کاهش موانع پتانسیل را در نظر می‌گیرد به صورت زیر است:

معادله ریچاردسون اصلاح شده که این کاهش موانع پتانسیل را در نظر می‌گیرد به صورت زیر است:

این معادله اثر شکتی یا پخش ترمیونیک میدانی را توصیف می‌کند که زمانی رخ می‌دهد که یک میدان الکتریکی معتدل (پایین‌تر از حدود 108 V/m) به یک ماده گرم شده اعمال می‌شود.

پخش میدانی

هنگامی که یک میدان الکتریکی بسیار قوی (بیش از 108 V/m) به یک ماده گرم شده اعمال می‌شود، نوع دیگری از پخش الکترون رخ می‌دهد که به آن پخش میدانی یا تونل‌زنی فولر-نوردایم گفته می‌شود.

در این حالت، میدان الکتریکی به اندازه‌ای قوی است که یک مانع پتانسیل بسیار نازک ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد الکترون‌ها بدون داشتن انرژی گرمایی کافی از آن عبور کنند. این نوع پخش یا تونل‌زنی مستقل از دما است و فقط به قوت میدان الکتریکی بستگی دارد.

اثرات ترکیبی پخش ترمیونیک میدانی و پخش میدانی می‌توانند با استفاده از معادله مرفا-گود برای پخش ترمی-میدان (T-F) مدل‌سازی شوند. در میدان‌های حتی قوی‌تر، پخش میدانی مکانیسم غالب پخش الکترون می‌شود و امیتر در حالت «پخش الکترون میدانی سرد (CFE)» عمل می‌کند.

کاربردها

اثر شکتی در دستگاه‌هایی مانند میکروسکوپ‌های الکترونی، لامپ‌های خلأ، لامپ‌های گازی، سلول‌های خورشیدی و در فناوری نانو استفاده می‌شود.

خلاصه

اثر شکتی یک پدیده فیزیکی است که انرژی مورد نیاز برای خارج کردن الکترون‌ها از سطح یک جامد در فضای خلأ را کاهش می‌دهد هنگامی که یک میدان الکتریکی به سطح اعمال می‌شود. این امر باعث افزایش دفع الکترون‌ها از سطح یک ماده گرم شده و تأثیر بر جریان ترمیونیک، انرژی یونیزاسیون سطحی و آستانه فتوالکتریک می‌شود.

اثر شکتی زمانی رخ می‌دهد که یک میدان الکتریکی معتدل موانع پتانسیلی که از خروج الکترون‌ها از سطح جلوگیری می‌کند را کاهش می‌دهد، که منجر به کاهش تابع کار و افزایش جریان ترمیونیک می‌شود. رابطه بین چگالی جریان ترمیونیک، دما، تابع کار و قوت میدان الکتریکی می‌تواند با یک معادله ریچاردسون اصلاح شده توصیف شود.