Transport nosičů náboje a jejich fluktuace na různých rozhraních kompozitních autoemisních elektrod
Loading...
Files
Date
Authors
Allaham, Mohammad Mahmoud Mohammad
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Kompozitní autoemisní katody jsou slibným typem studených autoemisních katod, které ve srovnání s kovovými emitéry poskytují soustředěnější elektronový svazek s vyšší proudovou hustotou a jasnějším emisním obrazcem. Mechanismus emise z tohoto typu katod však stále není plně prozkoumán a kontinuálně se studuje od 80. let 20. století. Tato práce se skládá z teoretické a experimentální části. V teoretické části začíná představením uživatelsky přívětivého webového nástroje určeného k analýze autoemise elektronů, který vědcům pomáhá testovat a analyzovat experimentální data z měření autoemise. Dále vysvětluje, proč by vědci zabývající se autoemisí měli opustit Fowlerovu-Nordheimovu rovnici z roku 1928, a objasňuje, proč je vhodnější alternativou Forbesova rozšířená Murphyho-Goodova rovnice. Protože experimentální část zahrnuje metody charakterizace materiálů, je zde také představena vylepšená metodika charakterizace elektronové struktury studovaných materiálů. V experimentální části práce je poskytnuta komplexní analýza studovaných materiálů. Ta zahrnuje jejich optické, elektrické a elektronové charakteristiky struktury, se zaměřením na polykrystalický wolfram, jednosložkovou tixotropní epoxidovou pryskyřici Elantas PDG Epoxylite® E-478 VPI, polymerní grafit a koloidní grafit. Dále je zkoumán transport nosičů náboje ve studovaných materiálech a možné způsoby injekce elektronů na rozhraních wolfram-epoxid, sklo-grafit a wolfram-grafit. Nakonec jsou uvedeny některé aplikace wolframových-grafitových kompozitních emisních katod při použití jako sondy skenovací tunelové mikroskopie v prostředí okolního tlaku, konkrétně uvnitř komor rastrovacího elektronového mikroskopu. Závěrem lze říci, že tato práce vysvětluje jedinečné emisní vlastnosti epoxidových a grafitových tenkých vrstev, které souvisejí s transportem nosičů náboje přes aromatické a alifatické cykly v jejich struktuře.
Composite field emission cathodes are promising types of cold field emission cathodes that, when compared with metallic emitters, provide a more focused electron beam with higher current densities and brighter single spot of emission pattern. However, the emission mechanism from this type of cathode is still not fully studied and has been under study since the 1980s. This thesis is divided into two theoretical and experimental parts. In its theoretical part, it starts by introducing a user-friendly field emission analysis webtool, which helps scientists to test and analyze their experimental field emission raw data. Moreover, it explains why field emission scientists must stop using the 1928 Fowler-Nordheim equation and recommends, with proof, why Forbes' extended Murphy-Good equation should be the best replacement. Furthermore, since the experimental part includes materials characterization methods, it introduces an improved methodology to characterize the electronic structure of the studied materials. In its experimental part, it provides a comprehensive analysis of the studied materials. This includes their optical, electrical, and electronic structure characteristics. Mostly for polycrystalline tungsten, Elantas PDG epoxylite® E-478 single-component thixotropic epoxy VPI resin, polymer graphite, and colloidal graphite. Moreover, charge carrier flow through the studied materials was studied, along with possible injection methods at the tungsten-epoxy, glass-graphite, and tungsten-graphite interfaces. Finally, it shows some applications for the tungsten-graphite composite field emission cathodes when operated as scanning tunneling microscopy probes inside ambient pressure environments (inside scanning electron microscope chambers). In conclusion, this study explained the unique field emission characteristics of the epoxy or graphite coating layers, which is related to the charge carrier flow through the aromatic and aliphatic rings in their structure.
Composite field emission cathodes are promising types of cold field emission cathodes that, when compared with metallic emitters, provide a more focused electron beam with higher current densities and brighter single spot of emission pattern. However, the emission mechanism from this type of cathode is still not fully studied and has been under study since the 1980s. This thesis is divided into two theoretical and experimental parts. In its theoretical part, it starts by introducing a user-friendly field emission analysis webtool, which helps scientists to test and analyze their experimental field emission raw data. Moreover, it explains why field emission scientists must stop using the 1928 Fowler-Nordheim equation and recommends, with proof, why Forbes' extended Murphy-Good equation should be the best replacement. Furthermore, since the experimental part includes materials characterization methods, it introduces an improved methodology to characterize the electronic structure of the studied materials. In its experimental part, it provides a comprehensive analysis of the studied materials. This includes their optical, electrical, and electronic structure characteristics. Mostly for polycrystalline tungsten, Elantas PDG epoxylite® E-478 single-component thixotropic epoxy VPI resin, polymer graphite, and colloidal graphite. Moreover, charge carrier flow through the studied materials was studied, along with possible injection methods at the tungsten-epoxy, glass-graphite, and tungsten-graphite interfaces. Finally, it shows some applications for the tungsten-graphite composite field emission cathodes when operated as scanning tunneling microscopy probes inside ambient pressure environments (inside scanning electron microscope chambers). In conclusion, this study explained the unique field emission characteristics of the epoxy or graphite coating layers, which is related to the charge carrier flow through the aromatic and aliphatic rings in their structure.
Description
Keywords
Autoemisní mikroskopie, rastrovací tunelová mikroskopie, kompozitní autoemisní katody, Murphyho-Goodova analýza, Fowlerova-Nordheimova analýza, wolframové-grafitové katody, sklo-grafitové katody, wolframové-epoxidové katody., Field emission microscopy, scanning tunneling microscopy, composite field emission cathodes, Murphy-Good analysis, Fowler-Nordheim analysis, tungsten-graphite cathodes, glass-graphite cathodes, tungsten-epoxy cathodes.
Citation
ALLAHAM, M. Transport nosičů náboje a jejich fluktuace na různých rozhraních kompozitních autoemisních elektrod [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. (člen)
Dr. Stephen Purcell (člen)
Assoc. Prof. Thiago Albuquerque de Assis (člen)
Date of acceptance
2025-06-20
Defence
Disertační práce pana Allahama se zaměřuje na transport nosičů náboje a jejich fluktuace na různých rozhraních kompozitních autoemisních elektrod. Práce se skládá z teoretické a experimentální části. V experimentální části práce je poskytnuta komplexní analýza studovaných materiálů. Ta zahrnuje jejich optické, elektrické a elektronové charakteristiky struktury, se zaměřením na polykrystalický wolfram, jednosložkovou tixotropní epoxidovou pryskyřici Elantas PDG Epoxylite® E-478 VPI, polymerní grafit a koloidní grafit. Téma je aktuální a cíle byly splněny. Tato disertační práce se zabývá transportem nosičů náboje a jevy polem indukované emise elektronů v kompozitních katodách. Výzkum se nachází na pomezí vědy o materiálech, fyziky povrchů a vakuové nanoelektroniky, přičemž se zaměřuje zejména na fyzikální mechanismy řízení emise elektronů ze struktur na bázi kov–izolant a grafitu. Téma je relevantní vzhledem k probíhajícím snahám o vývoj alternativních emisních materiálů pro vysokorozlišovací elektronovou mikroskopii, nanoelektronické prvky a přenosná vakuová elektronická zařízení. V průběhu obhajoby pan Allaham prokázal výbornou úroveň znalostí ve zkoumané oblasti a připravenost samostatně vědecky pracovat. Na dotazy komise odpověděl výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení