WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 10 05;11;12 Гистерезис импульсных характеристик автоэлектронной эмиссии с наноуглеродных пленок © А.В. Архипов, М.В. Мишин, Г.Г. Соминский, И.В. Парыгин Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: arkhipov@rphf.spbstu.ru (Поступило в Редакцию 18 января 2005 г.) Экспериментально исследованы динамические свойства автоэлектронной эмиссии с наноуглеродных пленок при микросекундной длительности импульсов прикладываемого к образцам электрического поля.

Наблюдался гистерезис эмиссионных характеристик, параметры которого сложным образом зависели от амплитуды, длительности и формы импульсов. Для объяснения экспериментальных результатов предложена феноменологическая модель, основанная на представлении о двухступенчатом характере эмиссии с участием неглубоких уровней акцепторого типа, локализованных вблизи поверхности эмиттирующей области.

Введение область. Давление остаточного газа при измерениях составляло 3-10 · 10-7 Torr.

Прогресс последних лет в создании эффективных холодных катодов в значительной степени связан с Подготовка образцов и методика использованием пленок на основе нанодисперсных форм измерений углерода (нанотрубок, фуллероидов, наноалмазов, нанографита и т. д.) в качестве распределенных полевых Исследованные в работе полевые катоды были изгоэмиттеров электронов [1–8]. Согласно литературным товлены на базе двух основных видов наноуглеродных данным, средние по площади значения плотности томатериалов: 1) нанопористый углерод (НПУ), полученка для таких систем могут превышать 1 A/cm2, приный химическим удалением кремния из его карбида чем заметная змиссия (например, 1 µA/cm2) начинает (изготовитель — ФГУП „Прикладная химия“) [14], и фиксироваться уже при величине электрического поля 2) порошок „астраленов“ — тяжелых фуллероидов с (без учета его усиления на микрорельефе поверхности) размером частицы около 100 nm (изготовитель — фирма менее 1 kV/mm. Причины столь высокой эмиссионный „Астрин-холдинг“) [15].

эффективности углеродных материалов могут быть разДля механической фиксации порошков на катоде исличными. Наиболее ясны они в случае нанотрубок, где пользовались различные способы: электрофорез, спекарешающим фактором является значительное „геометриние в керамической матрице, нанесение с биндером.

ческое“ усиление поля. Существующие модели позволяПосле установки образца в вакуум производился его отют объяснить не только величины эмиссионных токов жиг при температуре 200-300C, а затем термополевое с нанотрубок, но и „тонкие“ эффекты, например отклоактивирование по методике, описанной в [14].

нение эмиссионных характеристик от закона Фаулера– Схема экспериментального прибора для измерения Нордгейма в области больших токов [9]. В то же импульсных эмиссионных характеристик распределенвремя теоретическое описание эмиссионных процессов с ных полевых катодов приведена на рис. 1. Эмиттер наноуглеродных пленок, структура поверхности которых вместе с используемым в процессе его активирования не может обеспечить большого усиления поля, встречает существенные трудности. Величина работы выхода углердоных пленок весьма велика (не менее 4-4.5eV), и сама демонстрируемая некоторыми из них высокая эмиссионная активность не находит однозначного объяснения. Не установлены механизмы таких типичных для углеродных пленок явлений, как гистерезис эмиссионных характеристик [10–13] и увеличение эмиссионной активности в результате термополевой обработки [14].

Ниже представлены результаты экспериментов, проводящихся в условиях, типичных для многих перспективных приложений полевых катодов. Электрическое поле создавалось в широком эмиссионном зазоре путем приложения постоянной или / и импульсной разности потенциалов до 50 kV. Эмиттированные электроны вы- Рис. 1. Схема экспериментального прибора для измерения водились за пределы эмиссионного зазора в бесполевую импульсных эмиссионных характеристик.

Гистерезис импульсных характеристик автоэлектронной эмиссии с наноуглеродных пленок подогревателем 2 закреплен за отверстием диаметром 3.3 mm в тонкостенном (0.2 mm) защитном электроде 3. Поверхности эмиттера и защитного электрода в совокупности образуют катод квазиплоского эмиссионного зазора. Ширина зазора регулируется в пределах 1.5-5 mm. Коллектор эмиссионного тока 4 располагается внутри анода 5 за отверстием диаметром 2.5 mm.

Такое расположение измерительного электрода позволяет исключить вклад эмиссии с защитного электрода и значительно уменьшить вклад емкостной наводки в регистрируемый импульсный токовый сигнал. Оставшаяся часть емкостного тока вычиталась из регистрируемого сигнала на стадии обрабокти результатов.

Гистерезис эмиссионных характеристик для „гладких“ импульсов напряжения Типичные осциллограммы напряжения на эмиссионном зазоре U(t) и тока коллектора 4 (рис. 1) I(t) для случая „гладких“, колоколообразных импульсов напряжения показаны на рис. 2, a. Одна такая пара осциллограмм позволяет построить две вольт-амперные характеристики I(U): для участков нарастания и спада напряжения.

Будем называть эти зависимости прямой и обратной ветвями эмиссионной характеристики и обозначать Iup(U) и Idown(U) соответственно. Существенное несовпадение Рис. 3. Изменение эмиссионных характеристик при варьироэтих ветвей (гистерезис эмиссионной характеристики) вании параметров прикладываемого напряжения. a — характебыл характерной чертой экспериментальных данных, ристика рис. 2 (1) сопоставляется с характеристиками (2,3), полученными при той же амплитуде и форме импульсной компоненты напряжения и меньших величинах его постоянной составляющей Ub; b — эмиссионные характеристики, измеренные для импульсов напряжения, различающихся длительностью плоской вершины; осциллограммы импульсов приведены на вставке. Эмиттер — пленка НПУ.

полученных нами для всех исследованных образцов углеродных пленок.

Эмиссионная характеристика для приведенной выше пары осциллограмм в координатах Фаулера–Нордгейма представлена на рис. 2,b. Прямолинейность обеих ее ветвей Iup(U) и Idown(U) говорит в пользу полевого механизма эмиссии. Различие углов их наклона к оси абсцисс в соответствии с теорией может быть интерпретировано как свидетельство быстрого изменения свойств эмиссионных центров (работы выхода W, эффективной площади и / или коэффициента усиления поля ) в момент перехода от увеличения поля к его спаду. Для любого фиксированного значения напряжения U отношение Idown(U)/Iup(U) > 1, что позволяет говорить об активировке эмиттера в течение импульса.

Эксперименты показали, что глубина гистерезиса (которую количественно можно оценить, например, тем же Рис. 2. Типичный вид осциллограмм напряжения на эмиссиотношением Idown(U)/Iup(U)), определяется как свойонном зазоре и тока эмиссии (a), а также соответствующая ствами эмиттера, так и условиями измерений. Рис. 3,a этим осциллограммам эмиссионная характеристика I(U) в координатах Фаулера–Нордгейма (b). Эмиттер — пленка НПУ. иллюстрирует характер изменения эмиссионных харакЖурнал технической физики, 2005, том 75, вып. 106 А.В. Архипов, М.В. Мишин, Г.Г. Соминский, И.В. Парыгин измерения времени поддержания активированного состояния эмиссионных центров проводились опыты с парой идентичных импульсов напряжения длительностью = 3 µs при регулируемой в пределах t = 500-10 µs временной задержке между ними (рис. 4,a). Оказалось, что уменьшение задержки вплоть до t = не вызывает изменения начального участка эмиссионной характеристики для второго из импульсов, т. е. эмиттер выходит из активированного состояния сразу по прекращении тока. Графики для случая t <, когда парные импульсы напряжения сливаются в единый импульс с двумя максимумами, приведены на рис. 4, b. Они позволяют оценить время перехода эмиттера в неактивированное состояние (на прямую ветвь характеристики) после начала повторного роста напряжения от минимума между „горбами“. Эта величина не превышает 5 µs, что намного меньше, чем время поддержки повышенной активности эмиттера при монотонном спаде напряжения в конце импульса. Таким образом, не удается однозначно определить характерное время „памяти“ исследуемой системы, которое можно было бы отождествить с временем остывания эмиттера, восстановления его первоначальной структуры, осаждения монослоя газа и т. п. Обсуждаемые модели не объясняют явления быстрого возврата эмиттера в исходное, неактивированное состояние при прекращении тока или росте приложенного напряжения.

На наш взгляд, теоретическое описание изложенных экспериментальных данных может быть дано на основании следующих предположений о механизме эмиссии.

Рис. 4. Эмиссионные характеристики пленки НПУ, измеренные с использованием парных импульсов напряжения. Временная задержка между импульсами t = 100 (a), 20 µs (b). Двухступенчатый механизм эмиссии 1,2 — номера импульсов.

электронов с углеродных пленок Предположим, что наиболее эффективным механизмом полевой эмиссии для изучаемых пленок является теристик при варьировании постоянной составляющей непрямой перенос электронов из зоны проводимости напряжения Ub. Увеличение Ub и связанных с ним максиобъема эмиттера в вакуум через пространственно локамальных за импульс значений напряжения и тока привелизованные вблизи поверхности промежуточные состодено к практически параллельному смещению обратной яния. Соответствующие этим акцепторным (изначальветви эмиссионной характеристики в область больших но незаполненным) состояниям энергетические уровтоков. Поскольку прямая ветвь при этом практически не изменялась, можно констатировать углубление гистере- ни расположены между уровнями Ферми и вакуума зиса при приложении большего поля и отборе большого 0

Эти предположения были проверены эксперименталь- где a, A (а также используемые в дальнейшем b, B, c но и не подтвердились. Рис. 3,b иллюстрирует неиз- и C) — константы; Ns — число заполненных электронами промежуточных состояний.

менность эмиссионных характеристик при увеличении длительности импульса напряжения, производившемся Величина Ns может быть определена через разность за счет удлинения „полки“ (участка U(t) const). Для токов „из объема на поверхность“ Ibs и „с поверхности Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Гистерезис импульсных характеристик автоэлектронной эмиссии с наноуглеродных пленок Результаты моделирования позволяют описать наблюдаемый в эксперименте гистерезис следующим образом.

Возрастание эмиссионного тока с ростом приложенного к эмиссионному зазору напряжения во время регистрации прямой ветви эмиссионной характеристики Iup(U) происходит как за счет увеличения прозрачности поверхностного берьера, так и в результате заполнения поверхностных уровней электронами (роста Ns ), вызванного изменением энергетического положения этих уровней. В противоположность этому спад тока при Рис. 5. К предлагаемой модели механизма эмиссии: I — измерении обратной ветви Idown(U) может происходить объем эмиттера, II — акцепторные энергетические состояния при практически постоянном значении Ns. Если скоего приповерхностного слоя, III — вакуум, IV — анод.

рость снижения напряжения достаточно велика, эмиссия В отсутствие напряжения на эмиссионном зазоре (пунктир):

в вакуум не является эффективным механизмом освоU = 0, Us = 0, Ns = 0. 1 — эксперимент, 2 —расчет.

бождения промежуточных состояний от накопленных на них электронов, поскольку ток эмиссии падает вместе в ваккуум“ Isv.

с величиной приложенного поля. Задаваемая уравнением (3) асимметрия характеристики Ibs(Us ) делает неэфNs = (Ibs - Isv)dt. (2) фективным и отвод электронов в объем эмиттера. Таким e образом, повышенная эмиссионная активность образцов на спаде импульса напряжния может быть объяснена Перенос электронов между объемом эмиттера и повысокой заселенностью промежуточных электронных верхностными состояниями опишем несимметричной состояний Ns, величина которой определяется предыстовольт-амперной характеристикой, например, в виде эксрией, т. е. достигнутыми ранее в течение этого импульса поненты значениями напряжения и тока. Длительное удержание Ibs = B exp(bUs ) - 1, (3) электронов на промежуточных состояниях возможно Имеющая размерность напряжения величина Us молишь при Us < 0 (формула (3)), что, согласно (4), жет быть определена как мера изменения энергетичедостигается действием поля самого избыточного (для ского положения промежуточных уровней относительно данной величины внешнего поля) поверхностного заряуровня Ферми объема эмиттера. Это изменение опредеда. При новом возрастании напряжения условие Us < ляется двумя факторами: проникновением в эмиттируюбыстро оказывается нарушенным и связь промежуточщую пленку внешнего поля и зарядкой поверхности при ных состояний с объемом восстанавливается („переход заполнении акцепторных уровней. Соответственно объем–поверхность открывается“), что означает возврат эмиссионной характеристики I(U) на прямую ветвь.

Us = U/c - eNs /C. (4) При удачном подборе констант решения системы Дополнительное активирование уравнений (1)–(4) с хорошей точностью моделируют диэмиссии быстрым спадом намику эмиссии, в том числе для импульсов напряжения электрического поля сложной формы (рис. 6).

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных продемонстрировало работоспособность предложенной выше модели для широкого диапазона длительностей и амплитуд импульсов напряжения. Расхождения модели и эксперимента появляются при увеличении скорости изменения поля выше некоторой предельной величины. В этом случае вид измеряемых импульсных эмиссионных характеристик изменяется качественно.

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.