Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени накоплена значительная база знаний» полученных с помощью численного и натурного эксперимента, математического и физического моделирования явлений и процессов, имеющих место на поверхности и в приповерхностной области твердых тел при воздействии на них сильного электрического поля. В результате этого воздействия потенциальный порог на границе твердое тело — вакуум превращается в потенциальный барьер, и появляется определенная вероятность туннелирования приповерхностных электронов сквозь барьер без затраты энергии в процессе полевой электронной эмиссии.
Полевые источники электронов широко используются в вакуумных приборах, электронно-лучевых трубках, ускорителях высокочастотных генераторах и т.д. Интерес к полевой электронной эмиссии связан и с исследованиями поверхностей на молекулярном уровне с помощью электронной микроскопии, в частности, с полевым электронным микроскопом, сканирующим туннельным микроскопом и атомным силовым микроскопом. Эмиссионные системы типа металл, металл-диэлектрик и др. являются основными элементами подобных приборов и устройств.
Тонкий слой воды на поверхности металла, рассматриваемый как эмиссионная система металл-диэлектрик, важен как с теоретической, так и с практической точек зрения. Теоретически эмиссионные свойства такой системы интересны, потому что молекулы воды характеризуются высокой постоянностью момента электрического диполя и восприимчивостью к поляризации в электрическом поле при полевой эмиссии, а практический аспект взаимодействия воды с поверхностью металла играет важнейшую роль во многих областях техники.
Поэтому задача разработки математических моделей эмиссионных систем металл-диэлектрик, где в качестве диэлектрика рассматривается тонкий слой воды, и создания математического аппарата для интерпретации данных натурного эксперимента является, несомненно, актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы стало создание математических моделей, адекватно описывающих явление полевой электронной эмиссии из систем металл-диэлекгрик, где в качестве диэлектрика рассматривается тонкий слой воды на поверхности металлического эмиттера, а также расчет важнейших эмиссионных характеристик подобных систем.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка математической модели поверхности металлического эмиттера, описывающей неоднородность распределения плотности атомной упаковки и значений работы выхода.
2. Построение математической модели эмиссионной системы металл-диэлектрик (металл-вода) на основе модели поверхности металлического эмиттера и расчет важнейших параметров системы: работы выхода и вольтамперных характеристик.
3, Компьютерное моделирование и численный эксперимент для проверки выводов теории и сопоставления результатов численного эксперимента с результатами натурного.
Методы исследования. Основными методами исследования являются методы математического моделирования, а также численного и натурного эксперимента.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель кристаллической структуры, распределения плотности атомной упаковки и значений работы выхода по поверхности металлического эмиттера.
2. Математическая модель полевой электронной эмиссии из систем металл-вода.
3. Результаты экспериментального, аналитического и численного исследования эмиссионных характеристик системы металл-вода в зависимости от ее параметров.
Научная новизна работы. Все результаты, изложенные в оригинальной части диссертационной работы, получены впервые и являются новыми Практическая значимость. Разработанные математические модели дают возможность проводить сравнение данных натурного эксперимента с теорией не только для простых эмиссионных систем, но и для систем металл-диэлектрик, значение работы выхода для которых может отличаться от величин работы выхода чистых материалов, входящих в систему. Предложенные методики позволяют также проводить расчет распределения плотности тока и рабочих характеристик практически важных приборов и устройств, для которых острийные эмиссионные системы являются основным элементом (сканирующие туннельные микроскопы, СВЧ-генераторы, плоские дисплеи и т.д.).
Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано научных работ, список которых приведён в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Список литературы включает 105 наименований. Работа расположена на 117 страницах и 7 страницах приложения, содержит 23 рисунка и 5 таблиц.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII, IX и X международных конференциях Beam Dynamics and Optimization (Саратов, 2001, 2003 гг., Санкт-Петербург, 2002 г.), ХХХШ и XXXV конференциях «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2002, 2004 гг.), научных семинарах кафедры Моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета прикладной математики—процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета и в исследовательской группе отдела химической физики института физической химии им. Я. Гейровского АН ЧР (Прага, Чешская Республика).
