Автоэлектронная эмиссия из безострийных наноструктур

• Автор: Крель, Святослав Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Углерод и его модификации

1.2 Способы получения наноуглеродных материалов

1.3 Эмиссионные свойства наноуглеродных материалов

1.3.1 Нанотрубки

1.3.2 Графен и структуры на его основе

1.3.3 Алмазные пленки

1.3.4 Аморфные и алмазоподобные пленки

1.3.5 Нанографит и структуры на его основе
1.3.6 Композитные структуры
1.3.7 Особенности эмиссии: гистерезис, активирование, температурные зависимости
1.4 Модели эмиссионного механизма дли бсзострийных углеродных
наноструктур
1.4.1 Усиление поля на элементах, внутренней структуры
1.4.2 Модели с повышенной проницаемостью поверхностного барьера
1.4.3 Модели с проникновением поля вглубь эмиттера
1.4.4 Фононный механизм
1.5 Выводы из обзора литературы ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Измерение эмиссионных характеристик образцов
2.2 Исследование морфологии и структу ры образцов
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ БЕЗОСТРИЙНЫХ НАНОСТРУКТУР
3.1 Нанопористый углерод
3.1.1 Приготовление и морфология образцов
3.1.2 Эмиссионные характеристики НПУ
3.2 Никель-углеродный композит
3.2.1 Технология изготовления, морфология и электрические свойства образцов
3.2.2 Эмиссионные характеристики образцов Ni-C композита
3.3 Островковые углеродные пленки, нанесенные на поверхность кремния
методом химического осаждения
3.3.1 Состав и структура тенок
3.3.2 Эмиссионные характеристики островковых углеродных пленок

3.4 Углеродные пленки на кремнии, нанесенные методом магнетронного
распыления
3.4.1 Топография поверхности образцов наноуглеродных покрытий
3.4.2 Эмиссионные характеристики, влияние термополевого активирования
3.5 Обсуждение экспериментальных результатов
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ ЭМИССИОННОГО МЕХАНИЗМА, РЕАЛИЗУЮЩЕГОСЯ
ДЛЯ БЕЗОС ГРИЙНЫХ НАНОУГЛЕРОДНЫХ ЭМИССИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
4.1 Общее описание феноменологической модели
4.2 Упрощенная численная динамическая модель эмиссионного процесса
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. В течение последних десятилетий многие формы наноструктурированного углерода стали рассматриваться в качестве перспективных материалов для использования в составе «холодных» источников электронов [1, 2]. Первыми из них практическое применение нашли углеродные ианотрубки [3], ныне используемые в источниках микроволнового, оптического и рентгеновского излучений, в плазменных устройствах, космических двигателях, микроэлектронных компонентах и датчиках. Однако технологии изготовления упорядоченных массивов нанотрубок остаются достаточно сложными и дорогими. Помимо этого, не находит удовлетворительного решения проблема деградации свойств таких массивов в процессе работы. Эти обстоятельства стимулируют активные исследования альтернативных нанотрубкам углеродных эмиссионных материалов и структур, включая алмазные, алмазоподобные, аморфные, нанографитовые и композитные пленки. Общими чертами всех перечисленных материалов являются неоднородность состава и разупорядоченность структуры, а также относительно «гладкая» топография поверхности без выраженных острий или ребер. Во многих экспериментах была продемонстрирована способность таких материалов к низковольтной полевой эмиссии электронов, однако разработка практических технологий создания холодных катодов на их основе затрудняется неполным пониманием реализующегося в этом случае эмиссионного механизма. В литературе предлагается несколько принципиально различных его моделей, чаще всего описывающих многоступенчатый туннельный перенос электронов между наноразмерпыми областями с сильно различающимися электронными свойствами. Однако как детали этого процесса, так и структура активного центра низковольтной эмиссии остаются невыясненными.
Целью диссертационной работы является выявление закономерностей и условий работы плоских углеродосодержащих полевых эмиттеров различной природы и создание на этой основе физической модели процессов, приводящих к низковольтной эмиссии электронов в исследуемых структурах.
Основные задачи работы:
- Анализ влияния морфологических параметров углсродосодержащих пленок различного состава, таких как толщина пленки, размер наночастиц, плотность расположения и фазовый состав островков, тип подложки, на характеристики и параметры низковольтной полевой эмиссии электронов.

при уменьшении размеров его кристаллитов до 1 нм и менее.
В связи с вышеизложенным, представлялось естественным объяснить высокую эмиссионную эффективность многих безострийных форм наноуглерода низкими значениями работы выхода, присущими но крайней мере некоторым из их структурных составляющих. При этом многие авторы (например, [124, 148]) отмечают, что эмиссионные свойства катода определяются не «объемным» значением работы выхода его материала, а некоторым эффективным ее значением, учитывающим влияние покрытий [34, 149, 162], адсорбированных слоев [91], поверхностных состояний [35], приложенного поля [89, 92] и т.п. (см. рис. 1.4.2 с, d). Если такие слои создают электрическое поле, сообщающее электронам дополнительную энергию при приближении (изнутри катода) к вакуумной границе, это формирует благоприятные условия для преодоления поверхностного барьера. В работе [163] предложена модель, связывающая явление низковольтной эмиссии с осаждением на поверхность катода положительных ионов, образующихся при взаимодействии эмитированных электронов с остаточным газом и уменьшающих работу выхода поверхности, - что позволяет объяснить и явление гистерезиса эмиссионных свойств. Автор [35] (Р.К. Яфаров) считает, что
определяющую роль в установлении величины работы выхода наноуглеродных материалов играют поверхностные электронные состояния. В то же время авторы [91] утверждают, что энергетические уровни поверхностных состояний алмаза лежат за пределами запрещенной зоны и потому не могут влиять на его эмиссионные свойства. Это противоречие, возможно, может быть разрешено с учетом результатов исследований, описанных в работе [25]. Ее авторы (A.B. Окотруб и др.) связывают высокую эмиссионную способность наноалмазов с локализованными состояниями атомов поверхностного слоя. При этом отмечают, что для некоторых граней наноалмаза поверхность практически всегда составлена атомами в sp2, энергии локализованных состояний которых лежат значительно выше дна запрещенной зоны самого алмаза, а потому выход электронов из этих состояний в вакуум облегчен.
В подтверждение того, что эффективная работа выхода эффективных углеродных эмиттеров действительно низка, часто приводят данные не только о токовых, но и о температурных характеристиках эмиссии. Например, в работе [91] была изучена температурная зависимость эмиссионных характеристик алмазных пленок. Количественный анализ этих зависимостей позволил определить величину характерной энергии термической активации, которая, как и величина, вычисляемая по наклону токовых характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма, оказалась весьма малой - около 0.1 эВ.
При всей естественности гипотезы о связи хороших эмиссионных свойств наноуглеродных материалов и структур с пониженной работой выхода (<1 эВ), следует отметить, что она вступает в противоречие с результатами измерений этой величины