WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 3. Электронная дифрактограмма для графитоподобной Наконец, в случае графитоподобных пленок электронГХО пленки.

ная эмиссия наблюдалась при приложении электрического поля напряженностью менее 1.5 V/µm. Представленная на рис. 4 (кривая 3) вольт-амперная завирефлексы, соответствующие графитной кристаллической симость получена для графитной пленки, КРС и КЛ решетке. Дугообразная форма рефлекса, соответствуспектры которой показаны на рис. 1 и 2 соответственно.

ющего отражению электронов от базисной плоскости Плотность эмиссионного тока возрастала для графитных графита, указывает на преимущественную ориентацию пленок до 1 mA/cm2 уже при напряженности 4 V/µm.

графитных кристаллографических плоскостей (0001) в Одновремено существенно увеличивались стабильность направлении, перпендикулярном к поверхности подложэмиссии и плотность эмитирующих центров. Последняя ки. Возможное отклонение от указанного направления оценивается нами на уровне не ниже 106-107 cm-2 с составляет не более ±20.

учетом того, что средний размер зерна люминофора на Такая кристаллографическая ориентация в приповерх- использовавшихся нами экранах был около 1.5 µm. Соотностном слое графитных пленок была выявлена и с по- ветствующее изображение люминесцирующего экрана, мощью электронной микроскопии высокого разрешения. полученное при напряженности 8 V/µm, показано на На изображениях поверхности пленок, полученных этим рис. 5 (3).

методом, отчетливо видны параллельные линии, рассто- На рис. 6 представлены вольт-амперные зависимояние между которыми равно межплоскостному расстоя- сти автоэмиссионного тока, полученные для графитонию для графита ( 0.34 nm). Отдельные кристаллиты, входящие в состав пленки, имеют поперечный размер до 10 nm, в то время как их размер вдоль базисной плоскости может быть более одного микрометра.

Автоэмиссионные свойства углеродных п л е н о к. Как показали наши исследования, практически все полученные при описанных выше условиях углеродные ГХО пленки эмитировали электроны при приложении определенной разности потенциалов между пленочным катодом и анодом. Для алмазных поликристаллических пленок в согласии с ранее описанными экспериментами [1–15] пороговая напряженность электрического поля в зазоре катод–анод, при которой наблюдалась автоэлектронная эмиссия (Eth = V/d), снижалась при увеличении содержания неалмазной углеродной фазы, одновременно возрастала величина плотности эмиссионного тока. Минимальное значение Eth для таких пленок составило около 4 V/µm. В качестве примера на рис. 4 приведена вольт-амперная зависимость для той же алмазной поликристаллической пленки (кривая 1), характеристики которой представлены на рис. 1 (кривая 1) и рис. 2 (кривая 1). На рис. 5 показано зарегиРис. 4. Вольт-амперные зависимости автоэмиссионного тострированное при напряженности 8 V/µm распределение ка для алмазных поликристаллических (1), нанокристалличеэмитирующих центров для этой же пленки (1). В этом ских (2) и графитоподобных (3) ГХО пленок. Плотность тока случае, хотя интегральный эмиссионный ток, измеряв- эмиссии I измеряется в mA/cm2.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках Рис. 5. Свечение катодолюминофорного экрана под действием электронов, эмитированных из алмазных поликристаллической (1), нанокристаллической (2) и графитоподобной (3) ГХО пленок на подложках размером 20 20 mm.

подобной пленки при комнатной температуре (1), при эмиссии. При этом вариация температуры углеродного охлаждении до температуры жидкого азота (2) и при катода в указанном широком температурном диапазоне нагреве до 300C (3). Некоторое уменьшение плотности незначительно изменяла само пороговое значение наэмиссионного тока и увеличение порогового значения пряженности электрического поля, которое оставалось напряженности электрического при снижении темпера- ниже 1.5 V/µm.

туры эмиттера могут быть обусловлены адсорбцией на Таким образом, приведенные выше эксперименего поверхность молекул остаточного газа [34]. Гораздо тальные данные свидетельствуют о том, что элекболее заметные изменения плотности тока отмечаются тронные эмиссионные свойства, а также структурнопри повышенной температуре. Возможной причиной та- морфологические особенности полученных нами поликого снижения плотности эмиссионного тока является кристаллических и нанокристаллических алмазных плеактивная дегазация высокопористого материала угле- нок находится в хорошем согласии с ранее опубликородной пленки. Одновременно наблюдалось заметное ванными результатами. С помощью того же метода ГХО увеличение отношения сигнал/шум, особенно сильное были получены пленки графитоподобного углеродного в области малых токов. Однако следует отметить, что материала, структурно-морфологические и электронные указанные температурные зависимости плотности то- эмиссионные свойства которых ранее в литературе опика от температуры относятся только к относительно саны не были. Отметим, что исследование по такой небольшой области ВАХ вблизи пороговых значений же методике автоэлектронной эмиссии из различных образцов графита и стеклообразного углерода показало практически полное отсутствие эмиссионного тока при напряженности поля до 20 V/µm.

Обсуждение Таким образом, в ходе сравнительного исследования установлено, что среди различных углеродных материалов (от поликристаллического алмаза до графита), полученных с помощью одного и того же метода ГХО, наилучшими автоэмиссионными параметрами (наиболее низкое значение пороговой напряженности электрического поля, наибольшая величина эмиссионного тока и плотности эмитирующих центров) обладают пленки, состоящие в основном из пластинчатых кристаллитов, в которых атомы углерода образуют типично графитную структуру в виде нескольких параллельных слоев, преимущественно ориентированных вдоль нормали к поверхности подложки. Такая автоэлектронная эмиссия может быть следствием усиления электрического поля на острие подобно тому, как это происходит в острийных катодах [7]. Однако требудемая величина такого усиРис. 6. Вольт-амперные зависимости автоэмиссионного тока для графитоподобной пленки. I измеряется в mA/cm2. ления составляет не менее 5000 для рассматриваемых Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 94 А.Н. Образцов, И.Ю. Павловский, А.П. Волков пиально важное обстоятельство, заключающееся в модификации электронных свойств части атомов углерода, входящих в состав графитоподобных пленок. Эта модификация приводит, в частности, к появлению энергетических уровней, разделенных щелью шириной около 4 eV.

Очевидно, такие атомы локализованы на поверхности ГХО пленок и составляют чрезвычайно тонкий слой.

В этом случае можно схематически представить зонную энергетическую диаграмму такой пленки в виде участка, имеющего графитную зонную структуру, и примыкающей к нему тонкой пленки, имеющей запрещенную зону (E1-E0) шириной около 4 eV (рис. 7). В соответствии с общими для всех широкозонных полупроводников закономерностями [6–9] можно ожидать, что энергетический Рис. 7. Схема энергетической зонной диаграммы для автоэлекуровень, соответствующий электрону в вакууме Evac, тронного эмиттера на основе графитоподобной пленки: 1 — окажется ниже дна верхней зоны E2, т. е. будет реализоваграфитоподобный углерод, 2 — углерод с модифицированной но отрицательное электронное сродство. В этом случае электронной конфигурацией, 3 — вакуум.

единственной причины наличия отличного от нуля порогового значения напряженности электрического поля, при которой наблюдается эмиссия электронов, будет углеродных пленок, что даже с учетом малых попенеобходимость преодоления энергетического барьера на речных размеров острийных графитоподобных структур границе раздела между модифицированной приповерх(1–5 nm) требует, чтобы их длина составляла не менее ностной областью и основной частью графитных кластенескольких микрон. Прямое наблюдение поверхности ров, составляющих ГХО пленку. Относительно слабая пленок с помощью электронной и атомно-силовой митемпературная зависимость наблюдаемой электронной кроскопии свидетельствует об отсутствии острий такой эмиссии, особенно при низких температурах (рис. 6), длинына их поверхности.

подтверждает ее автоэлектронную природу.

Более того, при столь малых размерах эмитируюС помощью этого механизма может быть объяснена щего острия величина напряженности электрического низковольтная электронная эмиссия и в других углеродполя у его поверхности, определяемая поверхностным ных материалах с графитным типом структуры, наприраспределением свободных носителей зарядов, должна мер углеродных нанотрубок [20,21]. Действительно, эти существенно зависеть от особенностей атомной струккластеры также состоят в основном из sp2 координитуры материала. Это особенно важно для графита, элекрованного графитоподобного углерода. Атомы углерода, тропроводность которого обусловлена незначительным расположенные на краю такой трубки, должны иметь моперекрытием электронных p-орбиталей, расположендифицированную электронную конфигурацию, которая, ных ортогонально кристаллографической базисной плосочевидно, и приводит к ОЭС или по крайней мере к кости графита. Можно предположить, что для атомов значительному снижению работы выхода, способствуюуглерода, находящихся на самом краю таких плоскостей, щему электронной эмиссии. Необходимо отметить, что электронная конфигурация будет изменяться, приводя экспериментальные факты свидетельствуют о том, что к гибридизации связей, отличной от sp2, характерной электронная эмиссия наблюдается только для ”открыдля графита. Одновременно вместо сплошного спектра тых” углеродных трубок, имеющих на их верхних торцах электронных состояний, как это имеет место в графите, атомы с оборванными электронными связями [20,21].

в электронном спектре таких атомов может появиться Аналогичный механизм эмиссии может иметь место запрещенная зона. Аналогичный эффект наблюдается в и в случае поликристаллических алмазных пленок, коразличных углеродных кластерах, при этом ширина зоны торые практически всегда содержат некоторую долю запрещенных состояний может находиться в пределах от графитоподобного углерода на межкристаллитных гра0 до 5 eV[6,35–37].

ницах. По данным, полученным с помощью туннельной Наличие запрещенной зоны в электронной плотности микроскопии, центры автоэлектронной эмиссии в таких состояний позволяет объяснить и КЛ особенности грапленках локализованы именно на этих границах [12].

фитоподобных пленок (рис. 2): КЛ полоса в области 3.6 eV может быть обусловлена излучательной рекомбинацией электронно-дырочных пар, появляющихся в при- Заключение поверхностной области пленки вследствие воздействия электронного пучка. Длинноволновая полоса КЛ в этом Таким образом, в данной работе для углеродных плеслучае может быть обусловлена переходами электронов нок, полученных методом ГХО, обнаружена чрезвычайно с уровня E1 на уровень Ферми EF в графитоподобной высокая эффективность автоэлектронной эмиссии, начасти пленки. блюдаемой при напряженности электрического поля с Указанные полосы в спектре КЛ могут иметь и другую пороговым значением около 1.5 V/µm, высокой плотприроду, однако само их наличие указывает на принци- ностью эмиссионного тока (1mA/cm2) и плотностью Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках эмитирующих центров (106-107 cm-2). Указанные плен- [24] Yamamoto S., Hosoki S., Fukuhara S., Futamoto M. // Surf.

Sci. 1979. Vol. 86. P. 734.

ки состоят из пластинчатых кристаллитов графита, ори[25] Павловский И.Ю., Образцов А.Н. // ПТЭ. 1998. № 1.

ентированных таким образом, что графитные базисC. 152.

ные плоскости перпендикулярны поверхности подложки.

[26] Spitsyn B.V. // Handbook of Crystal Growth. Vol. 3. Elsevier В результате на поверхности катода образуется слой атоScience B. 1994. P. 402.

мов с модифицированной электронной конфигурацией, [27] Shroder R.E., Nemanich R.J., Glass J.T. // Phys. Rev. B. 1990.

что существенно снижает работу выхода для электронов, Vol. 41. P. 3738.

повышая эффективность полевой эмиссии электронов.

[28] Lopez-Rios T., Sandre E., Leclerq S., Sauvain E. // Phys.

Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 4935.

В заключение авторы выражают искреннюю призна[29] Lespade P., Al-Jishi R., Dresselhaus M.S. // Carbon. 1982.

тельность В.И. Петрову и Е.В. Раковой за помощь в Vol. 20. P. 427.

проведении исследований.

[30] Graham R.J., Moustakas T.D., Disco M.M. // J. Appl. Phys.

1991. Vol. 69. P. 3212.

[31] Obraztsov A.N., Saparin G.V., Obyden S.K., Pavlovsky I.Yu. // Scanning. 1997. Vol. 19. P. 455.

Список литературы [32] Образцов А.Н., Окуши Х., Ватанабе Х., Павловский И.Ю. // ФТТ. 1997. Т. 39. С. 1787.

[1] Himpsel F.J., Knapp J.A., Van Vechten J.A., Eastman D.E. // [33] Mori Y., Eimori N., Kozuka H., Yokota Y., Moon J. // Appl.

Phys. Rev. B. 1979. Vol. 20. P. 624.

Phys. Lett. 1992. Vol. 60. P. 47.

[2] Van der Weide J., Zhang Z., Baumann P.K. et al. // Phys.

[34] Obraztsov A.N., Pavlovsky I.Yu., Volkov A.P. // J. Vac. Sci.

Rev. B. 1994. Vol. 50. P. 5803.

Tec. B. 1999. Vol. 17(2). P. 674.

[3] Bozeman S.P., Bauman P.K., Ward B.L. et al. // Diamond [35] Gulyaev Yu.V., Sinitsyn N.I., Glukhova O.E. // IVMC’and Related Materials. 1996. Vol. 5. P. 802.

Kyongju. Korea, 1997. P. 523.

[4] Eimori N., Mori Y., Hatta A. et al. // Diamond and Related [36] Robertson J., O’Reilly E.P. // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 35.

Materials. 1995. Vol. 4. P. 806.

P. 2946.

[5] Zhu W., Kochanski G.P., Jin S., Seibles L. // J. Appl. Phys.

[37] Robertson J. // Adv. in Physics. 1986. Vol. 35. P. 317.

1995. Vol. 78. P. 2707.

[6] Robertson J. // Thin Solid Films. 1997. Vol. 296. P. 61.

[7] Zhirnov V.V., Wojak G.J., Choi W.B. et al. // J. Vac. Soc. A.

1997. Vol. 15. P. 560.

[8] Chi E.J., Shim J.Y., Baik H.K., Lee S.M. // Appl. Phys. Lett., 1997. Vol. 71. P. 324.

[9] Nemanich R.J., Baumann P.K., Benjamin M.C. et al. // Diamond and Related Materials. 1996. Vol. 5. P. 790.

[10] Huang Z.-H., Cutler P.H., Miskovsky N.M., Sullivan T.E. // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 65. P. 2562.

[11] Dworsky L.N., Jaskie J.E., Kane R.C. // US Patent.

N 5180951.

[12] Karabutov A.V., Konov V.I., Pimenov S.M. et al. // J. de Physique IV. Colloque 5. 1996. Vol. 6. P. 113.

[13] Talin A.A., Pan L.S., McCarty K.F. et al. // Appl. Phys. Lett.

1996. Vol. 69. P. 3842.

[14] Satyanarayana B.S., Hart A., Milne W.I., Robertson J. // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71. P. 1430.

[15] Weiss B.L., Badzian A., Pillone L., Badzian T. // Appl. Phys.

Lett. 1997. Vol. 71. P. 794.

[16] Dadykin A.A., Naumovets A.G., Andreev V.D. et al. // Diamond and Related Materials. 1996. Vol. 5. P. 771.

[17] Tcherepanov A.Y., Chakovskoi A.G., Sharov V.B. // J. Vac.

Pages:     | 1 || 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.