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熱電子放出とは、高温の電極から荷電粒子が放出される現象であり、その熱エネルギーによって一部の粒子は十分な運動エネルギーを得て、材料表面から脱出する。初期の文献では熱イオンと呼ばれることもあったこれらの粒子は、現在ではイオンまたは電子であることが分かっている。熱電子放出は特に電子の放出を指し、熱エネルギーが材料の仕事関数を上回ったときに発生する。
放出後、放出された電荷と同大きさの反対の電荷が、放出領域に最初に残ります。しかし、エミッターが電池に接続されている場合、粒子が放出されるにつれて電池から供給される電荷によって、残った電荷が中和されるため、エミッターは放出前と同じ電荷を持つことになります。これにより、電流を維持するための追加の放出が容易になります。トーマス・エジソンは1880年に電球を発明した際にこの電流に気づき、その後の科学者たちはこの電流をエジソン効果と呼びましたが、電子が放出されることとその理由が科学者たちに理解されたのは、1897年の電子の発見後のことでした。
熱電子放出は、さまざまな電子機器の動作に不可欠であり、発電（熱電子変換器や電気力学的テザーなど）や冷却に利用できます。熱電子真空管は、高温陰極から密閉された真空中に電子を放出し、印加電圧によって放出された電子の方向を制御することができます。高温陰極は、金属フィラメント、被覆金属フィラメント、または遷移金属の金属、炭化物、ホウ化物からなる独立した構造体です。金属からの真空放出は、1,000 K （730 °C 、1,340 °F ）を超える温度でのみ顕著になる傾向があります。電荷の流れは温度とともに劇的に増加します。
熱電子放出という用語は、電荷が固体領域から別の固体領域へ放出される場合も含め、熱励起によるあらゆる電荷放出プロセスを指すためにも用いられるようになった。
電子が独立した物理粒子として認識されたのは1897年のJJトムソンの研究まで待たなければならなかったため、それ以前に行われた実験について議論する際には「電子」という言葉は使われなかった。
この現象は、1853 年にエドモン・ベクレルによって最初に報告されました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 1873 年にイギリスのフレデリック・ガスリーによって再び観測されました。[ 4 ] [ 5 ]ガスリーは帯電した物体の研究中に、負の電荷を持つ赤熱した鉄球が（何らかの方法で空気中に放電することによって）電荷を失うことを発見しました。また、球が正の電荷を持っている場合はこれが起こらないことも発見しました。[ 6 ]他の初期の貢献者には、ヨハン・ヴィルヘルム・ヒットルフ（1869～1883 年）、[ 7 ] [ 8 ] [9][10][11][ 12 ]オイゲン・ゴールドシュタイン（1885年）、 [ 13 ]およびユリウス・エルスターとハンス・フリードリヒ・ガイテル（1882～1889 年）が含まれます。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
1880年、トーマス・エジソンは、炭化した竹のフィラメント[ 19 ]の破損と白熱電球の内表面の望ましくない黒ずみの原因を解明しようとしていた際に、熱電子放出を再び観測した。この黒ずみはフィラメントから堆積した炭素であり、フィラメントループの正極側付近が最も濃く、負に帯電した炭素が負極側から放出され、正極側に引き寄せられ、時には吸収されるかのように、ガラスに薄い影を落としていた。この投影された炭素は「電気を運ぶ」と考えられ、当初はクルックス管で電離ガスからの負に帯電した陰極線が負極から正極へ移動する現象に起因するとされた。帯電した炭素粒子をガラスではなく別の電極に誘導しようと試みるため、エジソンは一連の実験を行った（最初の実験は1880年2月13日のノートに記録されているが、結果は不完全だった）。成功した実験は以下の通りである。[ 20 ]
この効果には多くの応用例があった。エジソンは、熱くなったフィラメントから放出される電流が電圧とともに急速に増加することを発見し、1883年11月15日にこの効果を利用した電圧調整装置の特許を出願した[ 21 ]。これは特に電子機器に関する米国初の特許である。彼は、この装置に十分な電流が流れて電信の音響装置を動作させることができることを発見し、これは1884年のフィラデルフィア国際電気博覧会で展示された。訪問中の英国人科学者ウィリアム・プリースは、調査のためにエジソンからいくつかの電球を受け取った。プリースの1885年の論文では、部分真空を通る一方向の電流をエジソン効果と呼んだ[ 22 ] [ 23 ]が、この用語は熱電子放出自体を指す場合にも使われることがある。英国無線電信会社で働いていた英国の物理学者ジョン・アンブローズ・フレミングは、エジソン効果を使って電波を検出できることを発見した。フレミングは、フレミングバルブと呼ばれる2素子の熱電子真空管ダイオードを開発しました（1904年11月16日に特許取得）。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]熱電子ダイオードは、熱機関の一種である熱電子変換器と呼ばれる装置として、可動部品なしで熱差を電力に直接変換するように構成することもできます。
1897年にJJトムソンが電子を発見した後、イギリスの物理学者オーウェン・ウィランズ・リチャードソンは、後に「熱電子放出」と呼ぶことになるテーマの研究に着手した。彼は1928年に「熱電子放出現象に関する研究、特に彼にちなんで名付けられた法則の発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。
バンド理論によれば、固体中の原子には1個または2個の電子が存在し、これらは原子間を自由に移動できます。これらはまとめて「電子の海」と呼ばれることもあります。電子の速度は均一ではなく統計的な分布に従い、場合によっては、電子が金属から引き戻されることなく脱出するのに十分な速度を持つことがあります。電子が表面から離れるのに必要な最小エネルギー量を仕事関数と呼びます。仕事関数は材料固有のものであり、ほとんどの金属では数電子ボルト（eV）のオーダーです。仕事関数を小さくすることで、熱電子電流を増やすことができます。この望ましい目標は、ワイヤに様々な酸化物コーティングを施すことで達成できます。
1901年、リチャードソンは実験結果を発表した。加熱されたワイヤーからの電流は、修正されたアレニウスの式に似た数学的形式で、ワイヤーの温度に指数関数的に依存するように見えた。[ 27 ]後に彼は、排出法則は数学的な形式を持つべきだと提案した[ 28 ]
ここで、Jは放出電流密度、Tは金属の温度、Wは金属の仕事関数、 kはボルツマン定数、AGは次に説明するパラメータです。
1911年から1930年にかけて、金属中の電子の挙動に関する物理的理解が深まるにつれ、リチャードソン、ソール・ダッシュマン、ラルフ・H・ファウラー、アーノルド・ゾンマーフェルト、ロタール・ヴォルフガング・ノルトハイムらによって、 A Gに関する様々な理論的表現（異なる物理的仮定に基づく）が提案された。60年以上経った今でも、関心のある理論家の間ではA Gの正確な表現について合意は得られていないが、 A Gは次の形式で記述されなければならないという点では一致している。
ここで、λ Rは材料固有の補正係数であり、通常は 0.5 程度の値であり、A 0は[ 29 ]で与えられる普遍定数である。
どこそしてはそれぞれ電子の質量と電荷であり、はプランク定数です。
実際、1930年頃には、電子の波動性のため、放出される電子の一部（r av）がエミッタ表面に到達する際に反射され、放出電流密度が減少し、λ R の値が1 − r avになるという合意が得られていた。そのため、熱電子放出方程式は次のような形で表されることがある。
しかし、Modinosによる現代的な理論的扱いでは、発光材料のバンド構造も考慮に入れる必要があると仮定している。これにより、λ Rに第 2 の補正係数λ Bが導入され、「一般化」係数A Gの実験値は一般的にA 0と同程度の大きさですが、発光材料によって大きく異なり、同じ材料の結晶面によっても異なる場合があります。少なくとも定性的に、これらの実験値の違いはλ Rの値の違いによるものと説明できます。
この分野の文献には、以下の理由からかなりの混乱が生じています。(1) 多くの文献ではA GとA 0を区別せず、単に記号A (場合によっては「リチャードソン定数」という名称) を区別なく使用しています。(2) ここでλ Rで表される補正係数を含む式と含まない式の両方に同じ名称が付けられています。(3) これらの式には、「リチャードソン方程式」、「ダッシュマン方程式」、「リチャードソン・ダッシュマン方程式」、「リチャードソン・ラウエ・ダッシュマン方程式」など、さまざまな名称が存在します。文献では、一般化された方程式の方が適切な状況でも、基本的な方程式が示されている場合があり、それ自体が混乱を招く可能性があります。誤解を避けるためには、「A に似た」記号の意味は、常に、より基本的な量を用いて明示的に定義する必要があります。
指数関数的な性質のため、 kTがWより小さい場合、電流は温度とともに急速に増加する。（ほぼすべての物質において、融解はkT＝Wよりもかなり前に起こる。）
電子放出デバイス、特に電子銃では、熱電子放出体は周囲に対して負にバイアスされます。これにより、放出体表面に大きさEの電界が生成されます。電界がない場合、脱出するフェルミ準位電子が見る表面障壁の高さWは局所仕事関数に等しくなります。電界は表面障壁を Δ Wだけ下げ、放出電流を増加させます。これはショットキー効果(ウォルター H. ショットキーにちなんで命名) または電界増強熱電子放出として知られています。これは、リチャードソン方程式をWを ( W − Δ W ) に置き換えることで簡単に修正してモデル化できます。これにより、次の式が得られます[ 33 ] [ 34 ] 。
ここで、ε 0は電気定数（真空誘電率とも呼ばれる）である。
この修正された方程式が適用される電界および温度領域で発生する電子放出は、しばしばショットキー放出と呼ばれます。この方程式は、電界強度が約 100 未満の場合、比較的正確です。10 8 V⋅m −1を超える電界強度の場合10 8 V⋅m −1では、いわゆるファウラー・ノルドハイム (FN) トンネル効果が大きな放出電流に寄与し始めます。この領域では、電界増強熱電子放出と電界放出の複合効果は、熱電界 (TF) 放出のマーフィー・グッド方程式でモデル化できます。[ 35 ]さらに高い電界では、FN トンネル効果が支配的な電子放出機構となり、エミッタは「低温電界電子放出 (CFE)」領域で動作します。
熱電子放出は、光などの他の励起形態との相互作用によっても増強される。[ 36 ]例えば、熱電子変換器内の励起されたセシウム（Cs）蒸気は、Cs-リュードベリ物質のクラスターを形成し、コレクタ放出仕事関数を1.5 eVから1.0～0.7 eVに低下させる。リュードベリ物質 の寿命が長いため、この低い仕事関数は低いまま維持され、結果として低温変換器の効率が向上する。[ 37 ]
光子増強熱電子放出（PETE）は、スタンフォード大学の科学者によって開発されたプロセスで、太陽の光と熱の両方を利用して発電し、太陽光発電の効率を現在のレベルの2倍以上に高めます。このプロセス用に開発されたデバイスは、200 ℃を超えると最高の効率に達しますが、ほとんどのシリコン太陽電池は 100 ℃に達すると不活性になります。このようなデバイスは、800℃までの温度に達する放物面 集光器で最もよく機能します。チームは概念実証デバイスに窒化ガリウム半導体を使用しましたが、ガリウムヒ素を使用するとデバイスの効率を55～60%に高めることができ、これは既存のシステムのほぼ3倍であり、[ 38 ] [ 39 ]既存の43%の多接合太陽電池よりも12～17%高いと主張しています。[ 40 ] [ 41 ]
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