WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 11 11;12 Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках © А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский, А.П. Волков Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 5 мая 1998 г. В окончательной редакции 20 ноября 2000 г.) Представлены результаты исследования углеродных пленок, осаждавшихся с использованием газофазной химической реакции в плазме разряда постоянного тока. Пленки, полученные при различных параметрах процесса осаждения, отличались по структуре и фазовому составу в широких пределах: от поликристаллического алмаза до графитоподобного материала. Сравнительное исследование структуры и фазового состава пленок с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, катодолюминесценции, электронной микроскопии и дифрактометрии, а также их автоэлектронных эмиссионных свойств показало, что пороговое значение напряженности электрического поля, при котором наблюдается электронная эмиссия, уменьшается с уменьшением размеров алмазных кристаллитов и ростом доли неалмазного углерода. Наиболее низкие пороговые значения поля (менее 1.5 V/µm) были получены для пленок, состоящих в основном из графитоподобного материала. На основе представленных экспериментальных фактов предлагается модель, объясняющая механизм автоэлектронной эмиссии в углеродных материалах.

Введение ной зоне алмаза [5–11] или протяженные образования из неалмазного углерода [12,13]. Многочисленные исРазличные углеродные материалы рассматриваются следования показывают, что эмиссионные свойства ГХО в настоящее время в качестве основы для создания алмазных пленок значительно улучшаются с увеличениэффективных катодов, использующих явление полевой ем их дефектности вплоть до формирования аморфного эмиссии электронов. Такая эмиссия происходит без до- материала, существенным признаком которого остается полнительного нагрева катода, что позволяет получить алмазный тип гибридизации связей валентных электропоток электронов с низкими начальными скоростями и нов атомов углерода. Для таких эмиттеров пороговое в результате существенно упростить конструкцию элек- значение напряженности электрического поля, при кототровакуумных устройств. Одно из наиболее привлека- рой наблюдается полевая эмиссия электронов, находится тельных применений таких ”холодных” полевых катодов в пределах от 2 до 20 V/µm [5,12–15].

ожидается в плоских катодолюминесцентных дисплеях.

С другой стороны, хорошо известно, что полевая элекВозможность использования в качестве источника тронная эмиссия наблюдается и для углерода, имеющего электронов алмазных материалов базируется на прису- графитный тип химических связей между атомами. Крищем им свойстве отрицательного электронного сродства сталлический графит относится к полуметаллам, имеет (ОЭС), которое было предсказано теоретически и обна- высокую проводимость и достаточно большую работу ружено экспериментально как для монокристаллов ал- выхода электрона (около 4 eV), соответствующую помаза, так и для поликристаллических алмазных пленок, ложительному электронному сродству. Однако в ряде получаемых методом газофазного химического осажде- случаев эмиссионные параметры катодов на основе грания (ГХО) [1–5]. Свойство ОЭС определяется главным фитоподобных материалов приближаются к параметрам образом типом межатомных электронных связей мате- алмазных полевых катодов и даже могут существенно риала и является характерным не только для алмаза, превышать их по плотности эмиссионного тока при но и для других широкозонных полупроводников [6–9]. одновременном снижении пороговых значений напряНаличие ОЭС на поверхности эмиттера, в частности, женности электрического поля [16–18]. Кроме этого, в означает возможность существенного снижения напря- последнее время появилось большое количество работ о женности электрического поля, требуемой для возник- наличии низковольтной полевой эмиссии в углеродных новения полевой эмиссии электронов, от характерных нанотрубках [19–22], хотя для материалов, состоящих для большинства металлов и полупроводников значений из углеродных волокон, имеющих аналогичное строение, 103-104 V/µmдо 1-10 V/µm [6–9]. такие наблюдения проводились гораздо раньше [23,24].

Очевидно, что для получения стабильной эмиссии Таким образом, литературные данные показывают, что электронов полевой катод должен быть изготовлен из наличие алмазной структуры не является обязательным материала с достаточно высокой электронной проводи- требованием для создания эффективных углеродных помостью. Однако синтез проводящих полупроводниковых левых эмиттеров. С практической точки зрения получеалмазов n-типа остается до настоящего времени нере- ние неалмазных углеродных материалов представляется шенной задачей. В то же время в поликристаллических значительно более простой задачей, однако формироалмазных пленках электропроводность может быть об- вание на их основе ”холодных” катодов требует доусловлена различными структурными дефектами, форми- полнительных исследований для выяснения механизмов рующими системы дополнительных уровней в запрещен- полевой эмиссии. С этой целью в настоящей работе бы90 А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский, А.П. Волков ло проведено сравнительное исследование эмиссионных, держателе, перемещаемом с помощью микровинта отноструктурных и других особенностей углеродных пленок, сительно неподвижного анода, выполненного в виде прополученных методом ГХО. зрачной электропроводящей пленки из оксида индия, нанесенной на стеклянную пластину. Поверх проводящей пленки наносился слой катодолюминофора толщиной Материалы и процедуры несколько микрон. При относительно небольших расстояниях между анодом и катодом (от 50 до 500 µm) можно Исследованные в данной работе образцы представляли считать, что области свечения люминофора, вызваннособой пленки, осаждавшиеся на кремниевых подложках го электронной бомбардировкой, совпадают с областя(p-Si (100), = 10 cm, 20 20 mm) методом газофаз- ми электронной полевой эмиссии. Для предотвращения ного химического осаждения в смеси водорода и метана, чрезмерного распыления люминофора потоком электроактивированной разрядом постоянного тока с помощью нов измерения проводились с использованием импульсустановки, подробное описание которой приведено в [25].

ного источника напряжения. Длительность импульсов Перед проведением процесса осаждения все подложки была около 1 µs, частот повторения регулировалась в засеивались алмазными кристаллитами нанометрового пределах от 30 до 500 Hz, пиковое напряжение могло размера, используя обработку в ультразвуковой ванночке устанавливаться в диапазоне от 200 до 2000 V. Полученв спиртовом растворе ультрадисперсного алмаза. Давле- ная таким образом картина распределения эмитирующих ние газовой смеси в процессе осаждения составляло центров фиксировалась с помощью видеокамеры или 8.9-9 kPa. Время осаждения для всех исследованных в фотоаппарата. Измерения с помощью описанного метода данной работе образцов было выбрано равным 45 min. проводились при комнатной температуре.

Варьированием температуры подложки в диапазоне от 850 и 1100C и концентрации метана в газовой смеси Результаты в пределах от 0.5 до 10% были получены углеродные пленки с различным содержанием алмазной и неалмазФазовый состав и структурные свойства ной углеродных фаз.

у г л е р о д н ы х п л е н о к. Полученные при указанных Морфологические и структурные особенности полувыше условиях пленки были сплошными и имели приченных пленок исследовались с помощью электронной и мерно одинаковую толщину (около 1 µm). Морфолоатомно-силовой микроскопии, а также с использованием гия поверхности заметно изменялась в зависимости от дифракции электронов и комбинационного рассеяния условий осаждения. Эта зависимость, установленная с света (КРС). Информация об особенностях электронпомощью электронной микроскопии и атомно-силовой ных свойств исследуемого материала была получена с микроскопии, носила характер, описанный ранее друпомощью катодолюминесценции (КЛ).

гими исследователями (см., например, [26]). Фазовый Электронные эмиссионные свойства углеродных плесостав пленок, определявшийся с помощью метода КРС нок исследовались двумя методами. Первый из них был (использовалась линия 488 nm аргонового лазера), также предназначен для измерения зависимости эмиссионного изменялся в согласии с известными закономерностятока от напряженности приложенного электрического ми [27–29]. На рис. 1 приведены типичные спектры поля. Для этого исследуемый образец помещался в КРС исследованных нами ГХО пленок. Спектр 1 соответвакуумируемую до давления 10-6 Pa камеру. Держатель, ствует пленке, осаждавшейся при температуре подложки к которому крепился образец, мог охлаждаться до темTs = 950C и концентрации метана (k) около 1%. Для пературы жидкого азота или нагреваться до температуэтой пленки характерным является наличие сильной узры +350C. Анод, выполненный в виде вольфрамового кой ”алмазной” линии на частоте 1330 cm-1, свидетельстержня диаметром 5 mm с плоским шлифованным торствующей о преимущественно алмазном типе составляюцом, перемещался относительно катода с помощью мищего ее углерода. Широкая линия в области 1580 cm-кровинта. Величина напряженности электрического поля обусловлена углеродом в форме аморфизованного грав зазоре между анодом и катодом принималась равной фита, а линия на частоте 1350 cm-1 — графитом в виде E = V /d, где V — разность потенциалов между анонанокристаллов размером до 10 nm [27]. Пленки, в дом и катодом, разделенными вакуумным промежутком спектрах КРС которых проявлялась линия 1330 cm-1, толщиной d. Точность перемещения анода относительно состояли в основном из фасетированных кристаллов с катода составляла 5 µm. Измерения вольт-амперных характерной алмазной огранкой. Спектр 2 на рис. характеристик (ВАХ) проводились в автоматическом соответствует пленке, осаждавшейся при Ts = 850C режиме при изменении напряжения между анодом и и k = 2%, и содержит характерные линии на частоте катодом в пределах от 100 до 1500 V, максимальное 1140 и 1470 cm-1, одновременное появление которых значение тока было ограничено величиной 2 mA.

в спектре КРС коррелирует с уменьшением размеров Второй метод, использовавшийся для исследования составляющих ГХО пленку алмазных кристаллитов до электронной эмиссии, был предназначен для получения нескольких нанометров [28]. Такие пленки имели, как данных о пространственном распределении эмитирую- правило, зеркально гладкую поверхность. Спектр 3 на щих центров. В этом случае образец размещался на рис. 1 соответствует пленке, осажденной при Ts = Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках (см., например, [30]). Относительная интенсивность линий в КЛ спектрах была различна для разных точек на поверхности алмазных кристаллитов аналогично описанному в [31] и изменялась при изменении условий осаждения. Для нанокристаллических пленок интенсивность КЛ была, как правило, ниже порога чувствительности использовавшейся установки (спектр 2 на рис. 2). Такая низкая эффективность КЛ может быть, в частности, следствием высокой эффективности безызлучательной рекомбинации в алмазных пленках с большим количеством структурных дефектов. Косвенным подтверждением этого обстоятельства может служить увеличение поглощения в видимом диапазоне света для алмазных нанокристаллических пленок [32]. Наконец, для ГХО пленок, в КРС спектрах которых обнаруживалась узкая ”графитовая” линия, оказалось характерным наличие двух полос КЛ около 330 и 500 nm. Для различных образцов таких графитоподобных пленок наблюдались вариации в относительной интенсивности и положении этих полос в диапазоне 310-340 и 490-530 nm соответственно. КЛ полосы в близком спектральном диапазоне наблюдались ранее для алмазных ГХО пленок [32,33], однако какое-либо объяснение их природы до настоящего Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния света IRS() для времени отсутствует.

алмазных поликристаллических (1), нанокристаллических (2) Выводы о фазовом составе ГХО пленок, сделанные на и графитоподобных (3) ГХО пленок.

основе данных КРС и КЛ, были подтверждены электронографическими исследованиями и электронной микроскопией высокого разрешения. Электронная дифракция и k = 8%. Этот спектр содержит интенсивную линию на для поликристаллических и нанокристаллических плечастоте 1575 cm-1 и относительно слабую полосу в обла- нок имела типичный для поликристаллического алмаза сти 1350 cm-1. Форма спектра практически совпадает вид. Для графитных ГХО пленок электронная дифракция со спектрами КРС для микрокристаллического графита имела ряд особенностей. На рис. 3 приведена дифракс размером кристаллитов около 30 nm [29]. тограмма такой пленки, на которой отчетливо видны В КРС спектрах пленок, полученных при других параметрах процесса ГХО, относительные интенсивности линий, их ширина и в определенной степени спектральное положение изменялись, свидетельствуя об изменении фазового состава пленок, размеров кристаллитов и степени аморфизации, составляющих их алмаза и графита. Для удобства дальнейшего описания те пленки, в КРС спектре которых отчетливо проявлялась ”алмазная” линия около 1330 cm-1, в дальнейшем будем называть ”поликристаллическими алмазными”; если в КРС спектре пленки присутствуют полосы на частоте 1140 и/или 1470 cm-1, будем называть ее ”нанокристаллической алмазной”; наконец, для пленок, спектр которых аналогичен спектру 3 на рис. 1, будем использовать название ”графитоподобная пленка”.

Целесообразность такой классификации была подтверждена при катодолюминесцентных (КЛ) исследованиях (энергия электронов в пучке была равна 25 keV). ГХО пленки, имевшие различный набор линий в спектрах КРС, различались и по спектрам КЛ. На рис. 2 приведены КЛ спектры для тех же образцов, что и спектры КРС на рис. 1. В КЛ спектрах поликристаллических алмазных пленок (спектр 1 на рис. 2) присутствовали хорошо Рис. 2. Спектры катодолюминесценции ICL() для алмазных изученные линии, обусловленные различными структур- поликристаллических (1), нанокристаллических (2) и графитоными дефектами и примесями азота и кремния в алмазе подобных (3) ГХО пленок.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 92 А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский, А.П. Волков шийся при регистрации ВАХ, был достаточно стабилен, при наблюдении с помощью люминесцирующего экрана отмечалась значительная нестабильность эмиссионного тока из отдельных центров эмиссии.

Тенденция уменьшения порогового значения поля и увеличения эмиссионного тока продолжалась с уменьшением алмазных кристаллитов в ГХО пленках до размеров, соответствующих нанокристаллическим пленкам.

Вольт-амперная характеристика для одной из таких пленок, спектры КРС и КЛ которой показаны на рис. 1 и 2, представлена на рис. 4 (кривая 2). Нанокристаллические пленки имели значительно большую плотность эмитиру ющих центров (до 103 cm-2) (рис. 5, 2), одновременно для них возрастала стабильность эмиссии как по средней плотности тока, так и по эмиссии из отдельных центров.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.