熱離子發射

熱離子發射是金屬或半導體表面電子具有熱運動的動能足以克服表面勢壘而產生的電子發射現象。金屬或半導體向真空發射電子所需的最低能量稱為逸出功或功函式，即表面勢壘高度。在金屬半導體接觸界面同樣存在熱離子發射，此時所要克服的勢壘由金屬半導體接觸勢壘決定。

基本介紹

• 中文名：熱離子發射
• 外文名：Thermionic emission
• 套用：金屬或半導體
• 學科：原子物理

概念

熱離子發射現象的效應，表現為物質受熱之後一些電子的能量超過物質本身的功函式，接著又突破電離能之後跑到物質的外部並擺脫了原子核的束縛飛向遠處。這時在受熱物質附近放一個金屬蒐集板，就可以產生電能。這個現象可以用來做熱電子發電。

不同金屬帶的非還原熱離子發射特性

在石墨存在下，從Cs₂B₄O₇發射的Cs₂BO₂⁺離子能得到極大的增強，從而極大地提高了硼同位素的測定精度。石墨的這種非還原熱離子發射特性還成功地用來進行氯和溴同位素的高精度測定。這些研究表明，只有在石墨存在下才能從CsCl或RbCl獲得強的Cs₂Cl⁺或Rb₂Cl₂⁺離子流。隨後，Xiao等對石墨的這種非還原熱離子發射特性進行了更深入的研究，並廣泛地套用在硼、氯同位素地球化學的研究中。在以往的研究中絕大多數都採用Ta金 屬帶，因為Ta帶容易獲得且價格便宜。在熱電離質譜中，除了鉭以外，錸、鎢、鉑等金屬箔也常用做電離帶。這四種金屬材料中，Pt具有最高的功函式（6.27eV），而W具有最高的熔點（3410℃）。

金屬帶加熱去氣後放置時間的長短對氯同位素測定精度稍有影響，即放置時間越長，同位素比值測定精度越高。但是，在長時間放置中，防止產生新的污染是非常重要的，最好能採用通有純潔氧氣的密封箱。

在Cs₂BO₂⁺、Cs₂Cl⁺離子的非還原熱離子的發射中，Ta、Re、W、Pt四中金屬帶均能獲得強的離子流，進行硼、氯同位素組成的測定，Cs₂BO₂⁺、Cs₂Cl⁺離子的非還原熱離子的發射與金屬帶的功函式大小無關。但相比之下，Ta帶和Re帶以及Ta帶和W帶分別更適合於基於Cs₂BO₂⁺、Cs₂Cl⁺離子的硼、氯同位素組成的高精度測定。金屬帶表面的氧化程度對測定精度稍有影響，帶表面氧化程度越高，同位素測定精度越高。

碳納米材料的非還原熱離子發射特性的比較

氯的兩種穩定同位素，³⁵Cl和³⁷Cl，有較大的相對質量差異，導致了氯同位素在自然界中存在同位素分餾現象。通過測定氯同位素的比值，來研究其同位素分餾。對氯同位素測定最常使用的方法是基於CH₃Cl⁺離子的氣體質譜法和基於Cs₂Cl⁺離子的正熱電離質譜法。A. Long報導，使用基於CH₃Cl⁺離子氣體質譜法測定氯同位素比值的精度已達到0.009%。 Xiao使用正熱電離質譜法測定國際一級標準物質SRM 975 NaCl，測得的氯同位素比值的精度也達到0.009%。由於這兩種高精度氯同位素測定方法的出現，使得氯同位素廣泛套用到對蒸發鹽、地下水、熱液礦床以及鹽湖滷水等方面的研究。

Xiao等使用石墨和CsCl溶液共同塗樣，利用石墨的非還原熱離子特性，獲得了強而穩定的Cs₂Cl⁺離子流。石墨的存在極大地增強了Cs₂Cl⁺離子流的發射，強度可達到1×10^-11A以上，並且能穩定的發射數小時以上，以此創建了高精度氯同位素測定方法，使得氯同位素測定精度大大提高。作為其基礎領域之一的碳納米材料科學，由於其獨特的光、電、熱的傳導性對碳納米材料的研究具有重大的理論意義和廣泛的、潛在的套用價值。

使用三種納米碳材料測定氯同位素時，納米石墨、納米碳黑和納米碳管都具有非還原性的熱離子發射特性，都能夠獲得較強的Cs₂Cl⁺離子流，但是相對普通石墨測定氯同位素時的離子流強度來說，離子流強度比較弱。從測定的比值和結果的精度比較，使用三種碳納米材料不如使用標準CA石墨，它們不適合作為氯同位素測定的發射劑。