Ab Initio Calculation of Field Emission from Copper Surfaces with Nanofeatures

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804208702
Title: Ab Initio Calculation of Field Emission from Copper Surfaces with Nanofeatures
Author: Toijala, Heikki
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804208702
http://hdl.handle.net/10138/299763
Thesis level: master's thesis
Discipline: Fysiikka
Abstract: Kenttäemissio metallipinnoilta on tärkeä ilmiö nykyteknologialle johtuen muun muassa sen osuudesta läpilyönteihin tyhjiössä, jotka rajoittavat CERN:ssä suunnitteilla olevan uuden kiihdyttimen (Compact Linear Collider) kiihdyttävän sähkökentän voimakkuutta. Läpilyöntien tiedetään alkavan kiihdytinelementtien pinnalla paikoista, joissa kenttäemissio on voimakkaampaa kuin muualla, joten kenttäemission ymmärtäminen on tärkeää kiihdyttimen tehokkuuden parantamiseksi. Kenttäemission Fowler–Nordheim -teorian mukaan pinnan irroitustyö sekä pinnan muodosta johtuva sähkökentän vahvistuminen ovat kenttäemissiovirtaan vaikuttavat kaksi parametria, joista koetulosten yleensä käytetty tulkinta keskittyy pinnan muodon aiheuttamaan virran kasvuun. Irroitustyön vaikutusta ei yleensä huomioida, vaikka irroitustyö voi olla pintavirheiden lähellä huomattavasti pienentynyt. Tämän tutkielman tavoite on tutkia atomitason pintavirheiden vaikutusta kuparin (111)-pinnan irroitustyöhön ja kenttäemissio-ominaisuuksiin sekä tarkastella Fowler–Nordheim yhtälön pätevyyttä pinnoille, joissa on virheitä. Metallipintojen potentiaalivallit määritettiin tiheysfunktionaaliteorian avulla ja niihin lisättiin kuvalähdepotentiaalin tapainen potentiaali pitkäkantamaisten vaihto- ja korrelaatiovuorovaikutusten huomioon ottamiseksi. Näin määritettyjä potentiaalivalleja käytettiin kvanttikuljetuslaskuissa kenttäemissiovirran laskemiseen ottaen huomioon tilatiheys. Lasketut kenttäemissiovirrat analysoitiin Fowler–Nordheim -kuvaajien avulla. Tulokset osoittavat, että tutkituilla atomitason pintavirheillä irroitustyön pieneneminen on riittävä selitys suuremmalle kenttäemissiovirralle ja että sähkökentän vahvistumista ei havaittu. Fowler–Nordheim -yhtälön pätevyys tutkituille pinnoille vahvistettiin, sillä erona laskettujen ja yhtälön ennustamien kenttäemissiovirtojen välillä oli vain vakiotekijä.Field emission from metal surfaces is an important phenomenon in modern technology, not least due to its role in the vacuum breakdowns limiting the gradient of the accelerating fields in the Compact Linear Collider being planned at CERN. Vacuum breakdowns are found to originate at locations on the surface of the accelerating structures where field emission is enhanced, making understanding field emission important for increasing the effectivity of the instrument. According to the standard Fowler–Nordheim theory of field emission, the work function of the surface and the geometric field enhancement are the two parameters which determine the field emission current, with the standard interpretation of experimental results focusing on the geometric field enhancement. The role of the work function, which can be significantly decreased near surface defects, is often overlooked. The aim of this work is to study the influence of atomic-scale defects on the work function and field emission characteristics of a copper (111) surface, and to verify the validity of the Fowler–Nordheim equation for the surfaces with defects. The metal surface potential barriers were determined using density functional theory with an image potential type term added manually to account for the long-range exchange and correlation interactions. The determined potential barriers were used in quantum transport calculations to compute the field emission current while taking into account the density of states. A Fowler–Nordheim plot analysis was done for the computed emission currents. The results show that, for the studied atomic-scale surface defects, the decreased work function of the surface is sufficient to explain the increased field emission current, while no effective geometric field enhancement was found. The validity of the Fowler–Nordheim equation for the studied systems was established, with only an approximately constant factor separating the computed currents from those predicted by the Fowler–Nordheim equation.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Toijala_Heikki_Pro_gradu_2018.pdf 3.381Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record