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2025-08-08T06:37:16Z

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Bei der '''Feldemission''' werden durch ein ausreichend starkes [[elektrisches Feld]] (mehr als 10<sup>9</sup> V/m) [[Elektron]]en mit einer sehr geringen Energiebreite aus einer (negativ geladenen) [[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. [[Quantenmechanik|Quantenmechanisch]] betrachtet gibt es jedoch eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Elektronen aus dem [[Festkörper]] austreten. Diese werden dann durch das hohe äußere Feld abgesaugt. Diesen Effekt nennt man allgemein auch [[Tunneleffekt]]. Das Elektron tunnelt also durch den Potentialwall, der durch das äußere elektrische Feld modifiziert wurde – diese spezielle Art von Tunneln nennt man auch '''Fowler-Nordheim-Tunneln''' (benannt nach [[Ralph Howard Fowler]] und [[Lothar Nordheim]]).<ref name="Fowler-Nordheim">{{Literatur |Autor=R. H. Fowler, L. Nordheim |Titel=Electron Emission in Intense Electric Fields |Sammelwerk=Proceedings of the Royal Society of London. Series A |Band=119 |Nummer=781 |Datum=1928-04-01 |Seiten=173–181 |DOI=10.1098/rspa.1928.0091}}</ref>

== Geschichte ==
Das mit den Mitteln der klassischen Physik nicht zufriedenstellend erklärbare Austreten von Elektronen aus einem Festkörper war einer der ersten Forschungsgegenstände der [[Quantenmechanik]].
[[Erwin Wilhelm Müller]] erfand das [[Feldemissionsmikroskop]], mit dem erstmals Vorgänge auf atomarer Ebene auf Metalloberflächen untersucht werden konnten.<ref>{{Literatur |Autor=Erwin W. Müller |Titel=Elektronenmikroskopische Beobachtungen von Feldkathoden |Sammelwerk=Zeitschrift für Physik |Band=106 |Nummer=9–10 |Datum=1937 |Seiten=541–550 |DOI=10.1007/BF01339895}}</ref>
Auch der Tunneleffekt beruht quantenmechanisch auf ähnlichen Modellvorstellungen. Er wurde erstmals 1897 im [[Vakuum]] bei der Feldemission von [[Elektron]]en in einem Experiment von [[Robert Williams Wood]] beobachtet, der diesen Effekt allerdings noch nicht deuten konnte. 1928 wurde er dann von [[Ralph Howard Fowler|Ralph H. Fowler]] und [[Lothar Nordheim]] erstmals theoretisch beschrieben.<ref name="Fowler-Nordheim" />

== Anwendungen ==
[[Datei:Schottky-Emitter 01.jpg|mini|Schottky-Emitter Elektronenquelle eines [[Elektronenmikroskop]]s]]
In Strahlerzeugungssystemen moderner [[Elektronenmikroskop]]e werden verbreitet Feldemissionskathoden benutzt, da die hohe räumliche und temporäre [[Kohärenz (Physik)|Kohärenz]] feldemittierter Elektronen Vorteile für die elektronenoptische Abbildung mit sich bringt.
[[Feldemissionsbildschirm]]e sind eine Anwendung der Feldemission, die durch die japanische Firma (Field Emission Technologies Inc.)<ref>[http://www.prad.de/new/news/shownews_tft1715.html ''OLED-Konkurrenz: Ende 2009 kommen die ersten FE-Displays''.] prad.de</ref> weiterentwickelt und zur Marktreife gebracht wurde.
Auch [[Vakuum-Fluoreszenz-Display]]s sind nach dem Prinzip der Feldemission herstellbar, sind jedoch aufgrund der hohen Betriebsspannung nicht gebräuchlich.
Im Gegensatz zur [[Glühemission]] bleibt die Kathode bei der Feldemission kalt. Sie ist daher in bestimmten Anwendungen energieeffizienter.

In [[Elektronenröhre]]n für hohe Spannungen ist Feldemission unerwünscht und muss durch glatte, reine und fehlerfreie Elektrodenoberflächen vermieden werden. Wesentlich ist, die Krümmungsradien an den Kanten möglichst groß zu halten, weil nur dadurch die Feldstärke (bei gegebener Spannung) hinreichend klein gehalten werden kann (siehe auch [[Koronaring]]).

Die durch Feldemission im Vakuum erzeugten freien Elektronen werden im heute weitgehend durch andere [[Elektronenmikroskop]]e abgelösten [[Feldemissionsmikroskop]] direkt dazu benutzt, ein Abbild, zum Beispiel einer [[Wolfram]]spitze, zu erzeugen. Dabei sind sowohl Unebenheiten (Erhebungen führen zu einem stärkeren Feld) als auch regionale, kristallstrukturbedingte Unterschiede der Austrittsarbeit sichtbar.

== Berechnung ==
Die [[Stromdichte]] <math> j </math> der Feldemission berechnet sich allgemein aus (Fowler-Nordheim-Gleichung für Feldemission):

: <math>
j(E)=\frac{q^3m^*}{8\pi mh\Phi}\cdot{E^2} \exp\left(-\frac{4\sqrt{2m\Phi^3}}{3\hbar qE}\right)
= K_1 \frac{|E|^2}{\Phi} \cdot \exp\left(-\frac{K_2 \cdot \Phi^\frac{3}{2}}{|E|}\right)
</math>

mit
: <math> h </math>: Planck’sches Wirkungsquantum
: <math> q </math>: Ladung des tunnelnden Teilchens
: <math> m </math>: effektive Masse im Dielektrikum
: <math> m^* </math>: effektive Masse im Ladungsträger
: <math> E </math>: elektrische Feldstärke
: <math> K_1</math>, <math>K_2</math>: schwach materialabhängige Parameter – „Konstanten“
: <math> \Phi </math>: Austrittsarbeit

Die Tunnelstromdichte nach Fowler und Nordheim gibt also den durch das äußere elektrische Feld verursachten Tunnelstrom pro Querschnittsfläche in Ampere pro Quadratmeter (A/m²) an. Um den tatsächlichen Strom in Ampere zu erhalten, muss man den obigen Ausdruck noch mit der Querschnittsfläche, durch die der Strom verläuft, multiplizieren.

== Siehe auch ==
* [[Spitzenentladung]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektronenoptik]]
[[Kategorie:Elektrostatik]]
[[Kategorie:Elektronenstrahltechnologie]]

Feldemission - Versionsgeschichte

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