Полевая электронная эмиссия алмазоподобных пленок

• Автор: Пшеничнюк, Станислав Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 107 с. : ил.

ГЛАВА 1. УГЛЕРОДНЫЕ ПЛЁНКИ С АЛМАЗНОЙ СТРУКТУРОЙ
1.1. Основные способы получения алмазоподобных покрытий
1.2. Результаты исследования алмазоподобных пленок: структура, электрические и
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
1.3. ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК
1.3.1. Эмиссия с плоских поверхностей
1.3.2. Острийные катоды, покрытые алмазоподобными тёшами
ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ С ЦЕЛЬЮ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛЕВЫХ КАТОДОВ
2.1. Плёнки, полученные методом химического парофазного осаждения. Их структурные, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ и оптические СВОЙСТВА, ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
2.2. Анализ методов напыления
2.3. Конструкция ионно-лучевой установки для нанесения углеродных покрытий
2.4. Изучение углеродных покрытий, полученных методом ионно-лучевого осаждения
2.4.1. Электронно-микроскопические исследования
2.4.2. Химический состав полученных слоев
2.5. Основные представления о процессе роста алмазной пленки
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ
3.1. Специфика исследования алмазоподобных плёнок методом полевой электронной эмиссии
3.2. Результаты, полученные при изучении эмиссии с поверхностей алмазоподобных плёнок
3.2.1. Полевая электронная микроскопия поверхностей алмазоподобных тёнок
3.2.2. Вольтамперные характеристики эмиссионного тока
3.2.3. Энергетические распределения эмитированных электронов
3.3. Сравнение эмиссионных характеристик чистого вольфрамового острия и системы остриё/алмазоподобная плёнка, выполненное на одном эмиттере
ГЛАВА 4. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛЕВОГО ЭМИССИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛЁНОК УГЛЕРОДА
4.1. Физическая картина явлений, происходящих при полевой эмиссии вольфрамового острия с алмазогодобным покрытием
4.2. Некоторые вопросы стабильности эмиссионных характеристик и конструкции металлических катодов, покрытых алмазоподобной плёнкой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Поликристаллические алмазные пленки являются, в настоящее время, одним из перспективных материалов для изготовления катодов электровакуумных устройств, работа которых основана на туннельном выходе электронов из твердого тела в вакуум при приложении сильного (порядка 107 В/см) электрического поля к поверхности тела, то есть на полевой электронной эмиссии [1]. По сравнению с традиционно используемыми катодами, эти, так называемые «холодные» катоды, имеют ряд преимуществ: они являются более экономичными, так как для эмиссии электронов достаточно приложить высокое напряжение, произведенные на их основе электровакуумные приборы имеют низкую стоимость, они позволяют достигать более высоких разрешающих способностей из-за малых размеров эмитирующей области (катод имеет форму острия с радиусом кривизны порядка нескольких сотен ангстрем) и уменьшения искажений (геометрических аберраций) в электронно-оптической системе при высокой плотности тока и, соответственно, высокой яркости изображения, наконец, не требуется времени на разогрев катода.
Основной проблемой на пути широкого практического использования «холодных» катодов является нестабильность их характеристик, обусловленная, в основном, быстрым загрязнением поверхности эмитирующего острия молекулами остаточных газов в условиях технического вакуума [2]. Алмаз в принципе позволяет решить эту проблему, так как его поверхность является химически инертной и, следовательно, мало чувствительна к адсорбции. Еще одна важная особенность алмаза -недавно открытое отрицательное электронное сродство грани (111) природного полупроводящего алмаза типа lib [3], что позволяет значительно снизить (до 105 В/см) значения полей, используемых при полевой эмиссии электронов [4]. Однако алмаз является диэлектриком (иногда его рассматривают как широкозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны «5.5 эВ [5]), поэтому для изготовления полевых катодов применяются тонкие алмазные пленки, осаждаемые на поверхности традиционно используемых и хорошо изученных острийных катодов из W, Мо и Si для надежного подвода электронов к поверхности алмаза и их дальнейшей эмиссии в вакуум.
Алмазные пленки характеризуются высокой твердостью и обладают высокой теплопроводностью, что позволяет рассеивать большие мощности и легко осуществлять отвод тепла. При этом известные способы осаждения таких слоев дают возможность в широких пределах управлять шириной запрещенной зоны,
концентрацией примесных атомов и структурой образующегося покрытия [6]. Указанные свойства алмазных пленок делают возможным их использование не только в области вакуумной микроэлектроники, но и при разработке полупроводниковых приборов. Так, например, известны изготовленные на их основе диоды Шоттки, функционирующие при температурах до 773 К [7], светодиод, излучающий на длине волны 440 нм с интенсивностью 30 мкд/м2 [8], полевой транзистор [9], термистор, работающий на воздухе при температурах до 943 К [10].
Вместе с тем, имеется множество нерешенных проблем при изготовлении и использовании алмазных пленок в качестве покрытий полевых эмиссионных катодов, главными из которых являются:
1) не совсем ясен механизм роста алмазного слоя на различных плоских подложках и возможность использования известных методов получения пленок при осаждении на эмитирующие острия,
2) мало известно о механизме переноса электронов через алмазный слой (обычно имеющий р-тип проводимости) и их последующей эмиссии в вакуум, особенно в области низких полей.
Решение этих вопросов представляет научный, а также и практический интерес. Целью данной работы является напыление тонких углеродных плёнок с алмазной структурой на поверхности вольфрамовых автокатодов и выяснение влияния полученных покрытий на эмиссионные характеристики острий. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
1) выбор оптимального метода напыления углеродных покрытий на тонкие острия, используемые для полевых эмиссионных экспериментов,
2) сборка и изучение режимов работы установки, получение образцов углеродных пленок на различных подложках (моно- и поликристаллических, аморфных, острийных, изготовленных из разных материалов), и, исходя из анализа слоев, идентификация полученного материала,
3) исследование полевых эмиссионных свойств острийных катодов, покрытых углеродной пленкой, в том числе вольтамперных характеристик, энергетических распределений эмитированных электронов, полевых эмиссионных изображений, стабильности эмиссии,
4) на основе анализа полученных экспериментальных результатов выяснение различий эмиссионного процесса для вольфрамового катода до и после напыления на его поверхность тонкого слоя углерода с алмазной структурой,

поверхности алмазоподобного слоя. На спектрах также видна характерная группа из четырёх пиков, соответствующих углероду 12С+, изотопу 13С+ и комплексу СНТ, а также СНг+ и СНз+, причём пик ионного остатка СНг+ в данном случае не разрешается с возможным пиком двухзарядных ионов 2а8Г Присутствие кремния в этих спектрах обусловлено малой толщиной углеродного покрытия на подложке из 81(100), а также структурой алмазоподобного слоя, состоящего по данным сканирующей электронной микроскопии из отдельных кристаллитов. При этом ионы 2881+ и 8Ю+ в пучке вторичных ионов возникают при распылении областей между кристаллитами, поскольку диаметр первичного ионного пучка 2 мм, много больше максимального размера отдельных кристаллитов в плёнке ~10 нм. Эти два типа однозарядных ионов дают интенсивные пики на спектрах, соответствующие массам 28 и 29 а.е.м.

§ 200 Э
0 5?
? 150 «
3 г

к юо

| 200
| 150 *

| юо

Рнс.2.17. Масс-спектры алмазоподобных плёнок на кремниевых подложках: а) - образец 1, б) - образец 2; энергии ионов Аг+ - 8 кэВ, ток пучка - 5 цА, время распыления -15 минут.
Отметим, что кремний имеет ещё два стабильных изотопа 2981 и 3081, причём их природная распространённость не сильно отличается от распространённости основного
51'. 15.11/ Аг* ','С