WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 11;12 Активирование фуллереновых покрытий полевых эмиттеров потоками атомов и ионов калия © Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.К. Бондаренко, А.А. Веселов, И.А. Светлов Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: tumareva@rphf.spbstu.ru; sominski@rphf.spbstu.ru (Поступило в Редакцию 5 октября 2005 г.) Изучено активирование острийных полевых эмиттеров с фуллереновым покрытием потоками атомов и ионов калия. Напыление атомарного калия позволяет снизить в 3.5-4 раза характерные напряжения U1, необходимые для получения фиксированного тока I полевой эмиссии. Однако полевые эмиттеры, активированные атомами калия, быстро дезактивируются, и результирующее снижение величины U1 после выдержки в вакууме не превышает 25-30%. Стабильного снижения характерных напряжений ориентировочно в два раза удается достичь, обработав фуллереновое покрытие потоком ионов калия. Повышенная эффективность активировки эмиттеров потоком ионов калия объяснена с учетом формирования в фуллереновом покрытии эндоэдральных (K@C60) и/или экзоэдральных (C60@K) молекул.

PACS: 85.45.Db, 81.05.Tp Введение рис. 1, a. Острие крепилось на подвижной подвеске и его можно было поочередно поворачивать к каждому из Полевые эмиттеры с фуллереновыми покрытиями источников. Для регистрации эмиссионных изображений привлекают внимание исследователей, так как позволяют получать высокие плотности электронных потоков в условиях технического вакуума. Они обеспечивают токи свыше 100 µA в статическом и до 1.5-2mA в импульсном режимах с одиночного субмикронного острия [1–4]. Но такие эмиттеры имеют большую работу выхода (свыше 5 eV). Поэтому, эксплуатируя эмиттеры с фуллереновыми покрытиями, приходится использовать повышенные напряжения. В данной работе исследована возможность активирования острийных полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями потоками атомов и ионов калия.

Экспериментальные методы и аппаратура Эксперименты были выполнены в полевом микроскопе-проекторе. Схематическое изображение поперечного сечения проектора показано на рис. 1, a. Были исследованы эмиттеры с разными радиусами вершины R (0.3 R 0.7 µm). Увеличение проектора достигало 106 раз. Полевые эмиссионные изображения с экрана проектора наблюдались через окно, расположенное напротив экрана. Эмиссионные токи измерялись в цепи экрана. Давление в проекторе во время измерений не Рис. 1. Схематическое изображение сечения экспериментальпревышало 10-9 Torr.

ного прибора (a) и источника ионов калия (b). a: 1 — Определялись характеристики полевых эмиттеров с острийный катод, 2 — экран, 3 — источник фуллереновых покрытиями из фуллереновых молекул C60, а также молекул C60, 4 —источник атомов калия, 5 — источник с фуллереновыми покрытиями, активированными потоионов калия K+, 6 — окна прибора; b: 1 —источник атомов ками атомов и ионов калия. Для создания покрытий калия, 2 — вольфрамовая спираль, 3 и 4 — катод и анод использовались источники фуллереновых молекул, ка- фокусирующей системы, 5 — пластины отклоняющего ионный лия и ионов калия, расположение которых показано на поток конденсатора.

6 82 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.К. Бондаренко, А.А. Веселов, И.А. Светлов на накаленной вольфрамовой спирали 2 и направлялись в фокусирующую систему типа пушки Пирса через закрытый сеткой катод пушки 3. Ионный поток, прошедший через отверстие в аноде 4 и отклоняющий конденсатор 5, фокусировался на вершине эмиттера.

Использование конденсатора препятствовало попаданию атомов калия из источника на поверхность эмиттера во время ее обработки ионами. Основные измерения были выполнены при токе иона на эмиттер 10-9 A. Энергия ионов была приблизительно равна 80 eV.

Толщина покрытий, которые наносились на эмиттер, определялась на основе измерения „кривых напыления“ — зависимостей характерного напряжения U1, соответствующего фиксированному эмиссионному току I, от времени напыления td. Для контроля эмиссионных свойств измерялись характерные напряжения U0.002, соответствующие малому току I = 0.002 µA и малым электрическим полям вблизи поверхности эмиттера.

Эмиссионные изображения, как правило, наблюдались при снятии кривых напыления. Как показали наблюдения эмиссионных изображений исследованных катодов, при столь малых точках с острия не происходит существенных изменений структуры покрытия в процессе измерений, т. е. минимизируется воздействие электрических полей на покрытие. Типичные кривые напыления представлены на рис. 2, где указаны моменты формирования монослойного покрытия = 1 ml при напылении Рис. 2. Зависимости характерного напряжения U0.002, требую- калия (рис. 2, a) и фуллереновых молекул (рис. 2, b) на щегося для получения тока I = 0.002 µA, от времени td напы- вольфрамовое острие.

ления атомов калия (a) и молекул C60 (b) на холодный эмиттер из вольфрама (R = 0.3 µm). Указан момент, когда толщина покрытия принята равной одному монослою ( = 1ml).

Активирование фуллереновых покрытий атомами калия Напыление атомов калия приводило к уменьшению катода и измерения токов эмиссии катод поворачивался характерного напряжения U0.002 для всех исследованных к экрану. Существовала возможность перемещать источэмиттеров из вольфрама и эмиттеров со слоем карбида ники калия и фуллереновых молекул в направлениях, вольфрама на поверхности, при всех исследованных указанных на рис. 1, a стрелками, и менять таким толщинах фуллеренового покрытия 0 10 ml. На образом расстояние между источниками и эмиттером.

рис. 3 приведены типичные кривые напыления, полуВ процессе напыления эти источники располагались на ченные при нанесении калия на ребристый кристалл, малом ( 1cm) расстоянии от острия. Во время же сформированный на поверхности острия и покрытый измерений они удалялись от него в отросток прибора.

слоем фуллереновых молекул C60 толщиной = 2ml.

Покрытия из фуллереновых молекул C60 напылялись Кривые 1, 2 получены в результате напыления на из ячейки Кнудсена на вершину вольфрамового эмитхолодное (находящееся при комнатной температуре) тера или на эмиттер со слоем карбида вольфрама острие. Кривая 3 соответствует напылению на подогрена поверхности. Слой карбида вольфрама создавался тый до 650 K эмиттер. Кривая 1 измерена при большей на поверхности острия термическим разложением при скорости напыления, чем кривая 2.

температуре острия T = 1000-1300 K предварительно нанесенного фуллеренового покрытия. После создания Как показали эксперименты, быстрое напыление атослоя карбида вольфрама вершина острия приобретала мов калия на холодный эмиттер ведет к падению велиформу ребристого кристалла [5]. Атомы калия напыля- чины характерного напряжения U0.002, которое достигает лись из специальных подогреваемых источников. Для 3.5-4 раз при толщине покрытия около одного монослоя обработки поверхности фуллереновых покрытий пото- (рис. 3, кривые 1, 2). Затем в области насыщения хаками ионов калия был разработан и создан источник, рактерное напряжение U0.002 слабо меняется при дальсечение которого схематически показано на рис. 1, b. нейшем увеличении толщины покрытия. Эта область Атомы калия из нагреваемого источника 1 ионизовались хорошо прослеживается на кривой 2.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Активирование фуллереновых покрытий полевых эмиттеров потоками атомов и ионов калия была больше скорости его ухода с эмиссионно-активных мест. В таком случае выход этих характеристик в насыщение связан с максимальным и одинаковым снижением работы выхода, которое достигается при толщинах слоя калия на поверхности >1 ml, когда работа выхода эмитирующих участков, видимо, близка к работе выхода калия и не меняется с толщиной покрытия.

Для объяснения вида кривых напыления, измеренных при повышенной температуре эмиттера, необходимо учесть не только увеличение при повышенной температуре скорости ухода калия с эмиссионно-активных мест покрытия, но также и то обстоятельство, что скорость такого перераспределения калия при малых толщинах покрытия ( <1ml) должна возрастать с величиной.

Об этом говорят, например, данные работы [6], из Рис. 3. Кривые напыления U0.002(td) атомов калия на поверхкоторой следует, что энергия связи атомов калия с подность ребристого кристалла, покрытого слоем молекул Cложкой при толщине калиевого покрытия, меньшей мотолщиной = 2ml.

нослоя, падает с увеличением. Если учесть указанные два обстоятельства, удастся объяснить обнаруженное в эксперименте повышение уровня насыщения характеристики напыления при нанесении калия на подогретое Когда напыление заканчивается, даже в отсутствие острие. Подъем уровня насыщения кривой 3 рис. 3, электрического поля, происходит дезактивировка эмитизмеренной для нагретого до 650 K эмиттера, связан, тера. Характерное напряжение резко увеличивается в видимо, именно с тем, что при данной температуре течение 10-15 h, затем дезактивировка замедляется и скорость ухода калия с эмиссионно-активных мест припрактически прекращается через 20-40 h. Результируближается к скорости напыления при толщине покрытия ющее снижение величины U0.002 после выдержки в 0.5 ml. В этом случае дальнейшее напыление атомов вакууме не превышает 25-30%. Такая дезактивировкалия не должно менять толщины покрытия и степени ка принципиально может быть связана с осаждением активировки эмиттера. Именно по этой причине падеостаточных газов на поверхность эмиттера. Но нагрев ние характерного напряжения при напылении калия на эмиттера до 450 K, который должен был бы освободить нагретый эмиттер не превышало приблизительно 25%.

поверхность от осевшего газа, не приводил к ощутимому Покрытие, нанесенное напылением атомов калия на изменению характерного напряжения. Падение этого нагретый эмиттер, оказалось гораздо более стабильным, напряжения при прогреве не превышало 10%.

чем покрытие холодного эмиттера. Изменение уровня Можно предположить, что описанная дезактивировка активировки, достигнутого при снятии характеристики катода связана в значительной степени с перераспре(рис. 3), не превышало 2-3% при выдержке эмиттера делением калия в фуллереновом покрытии, с уходом в течение интервала времени свыше 60 h. Это свиатомов калия с эмиссионно-активных участков поверхдетельствует о том, что к моменту, когда напыление ности, например, с миграцией калия с усиливающих завершено, завершено также и перераспределение калия поле микроструктур в долины между ними. Возможным в покрытии. Кроме того, отсюда же следует, что осаждепредставляется и уход калия с поверхности покрытия ние остаточного газа слабо влияет на приготовленное в его толщу. Наши измерения, выполненные при напытаким образом покрытие.

лении калия при разных температурах эмиттера, свидетельствуют в пользу такого объяснения. Очевидно, что скорость перераспределения калия в покрытии должна Активировка потоком ионов калия быть больше при повышенной температуре катода, и мы связываем изменение вида кривых напыления при Обработка фуллеренового покрытия потоком ионов большей температуре с этим процессом (сравни рис. 3, калия ведет к более сильной активировке нагретого кривую 3, измеренную при температуре 650 K, с кривыкатода, чем при активировке напылением атомов ками 1, 2, полученными при комнатной температуре).

лия (рис. 4, кривые 1 и 2). Дополнительное снижеВ наших экспериментах уровень насыщения кривых ние величины характерного напряжения принципиально напыления практически не изменялся при комнатной можно было бы связать с изменением под действием температуре в результате сравнительно небольшого уве- ионной бомбардировки рельефа поверхности. Однако в личения скорости d/dt напыления калия (рис. 3, кри- работе не было выявлено таких изменений. Поэтому вые 1 и 2). Отсутствие таких изменений представляется повышенную эффективность ионной активировки скорее вполне естественным, если при измерении обеих харак- можно объяснить формированием под влиянием ионной теристик 1 и 2 рис. 3 скорость d/dt напыления калия бомбардировки специфических сложных образований в 6 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 84 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.К. Бондаренко, А.А. Веселов, И.А. Светлов вглубь покрытия эмиттера. Эмиссионные свойства покрытия, созданного в результате описанной трехступенчатой его обработки потоком ионов калия, достаточно стабильны. Изменения величины U0.002 для приготовленного таким образом катода не превышали приблизительно 5% при выдержке в отсутствие электрического поля в течение времени свыше 40 h. Полное уменьшение характерного напряжения U0.002 после всех циклов обработки достигало примерно двух раз по сравнению с начальной величиной для ребристого кристалла, покрытого молекулами C60.

Заключение Полученные данные позволяют определить возможРис. 4. Характеристики U0.002(td), полученные при активи- ности и механизмы активирования полевых эмиттеров ровке потоками атомов (1) и ионов калия (2-4) фуллере- атомами и ионами калия. Быстрое напыление атомов нового покрытия толщиной в два монослоя на ребристом калия уменьшает характерное напряжение, необходимое кристалле. Кривые 2-4 демонстрируют изменения величины для получения фиксированного тока полевой эмиссии характерного напряжения U0.002 в последовательности трех до 3.5-4 раз. Но такая активировка нестабильна изэтапов обработки потоком ионов.

за перераспределения атомов калия в фуллереновом покрытии. Значительное (около двух раз) и стабильное уменьшение рабочего напряжения может быть достигнуто в результате облучения фуллеренового покрытия покрытии типа эндоэдралов K@C60 и/или экзоэдралов потоком ионов калия. Явление стабильной активировки C60@K [7,8]. Как следует из [8,9], введение в покрыионами объясняется с учетом формирования в фуллеретие такого сорта молекул может снизить его работу новом покрытии сложных эндоэдральных K@C60 и/или выхода. Эти сложные образования менее подвижны в экзоэдральных C60@K молекул.

покрытии, чем атомы калия [8]. Поэтому их появление в покрытии не должно снизить его стабильность. ОценРабота выполнена при финансовой поддержке грантом ки, выполненные нами на основе данных работ [7,8], РФФИ № 05-02-16936.

свидетельствуют, что при измерении характеристики (рис. 4) в типичных для нашего эксперимента условиСписок литературы ях количество образующихся в покрытии эндоэдралов существенно меньше монослойного. Если и количе[1] Tumareva T.A., Sominskii G.G. // J. Commun. Technology and ство экзоэдральных молекул, появляющихся в покрытии Electronics. 2000. Vol. 45. Suppl. 1. P. 110–114.

в результате ионной бомбардировки, также невелико, [2] Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Ефремов А.А., Поляпредставлялось целесообразным продлить активировку ков А.С. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 2. С. 105–110.

потоком ионов калия. С учетом этого было выполнено [3] Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Поляков А.С. // ЖТФ. 2002.

Т. 72. Вып. 2. С. 111–115.

еще два этапа активировки полевого эмиттера потоком [4] Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Веселов А.А. // ЖТФ. 2004.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.