WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 2 11;12 Острийные полевые эмиттеры с фуллереновым покрытием © Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.А. Ефремов, А.С. Поляков Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: tumareva@rphf.spbstu.ru, sominski@rphf.spbstu.ru (Поступило в Редакцию 6 июля 2001 г.) Изучены закономерности формирования и характеристики фуллереновых покрытий на поверхности острийных полевых эмиттеров из вольфрама, а также эмиттеров со сформированным на их поверхности ребристым кристаллом. Выявлено влияние электрических полей и термической обработки на структуру и эмиссионные характеристики фуллереновых покрытий. Разработаны и испытаны способы создания на поверхности покрытий микровыступов, существенно усиливающих поле. Продемонстрирована возможность создания эмиттеров с одиночным микровыступом, обеспечивающим плотности тока эмиссии до 106-107 A/cm2, а также фуллереновых покрытий в виде распределенной микрокластерной структуры, обеспечивающих в статическом режиме токи с одиночного микронного острия свыше 100 µA.

Введение ливающих поле микроструктур. Уже первые полученные нами данные [5,6] подтвердили в основном эти ожидания.

Одна из актуальных, но не решенных пока задач ваПоэтому исследования были продолжены. В данной ракуумной электроники — создание долговечных полевых боте обобщаются результаты нашего исследования фулэмиттеров для формирования интенсивных электронных лереновых покрытий на поверхности острийных полевых потоков в условиях технического вакуума. Известно эмиттеров из вольфрама.

(см., например, [1–3]), что содержащие углерод покрытия, как правило, устойчивы к ионной бомбардировке и к вредному воздействию газовой среды и могут быть Методика исследования использованы в качестве специальных защитных покрытий, повышающих долговечность полевых эмиттеров.

Эксперименты выполнены в автоэмиссионном проекКажется привлекательным использование для формироторе. Фуллереновые покрытия напылялись на острийвания таких покрытий простого и дешевого материала — ный полевой эмиттер из ячейки Кнудсена [7]. Чтобы углерода. Однако, создавая защитное покрытие, необхоопределить структуру покрытий, наблюдались увеличендимо одновременно обеспечить высокую эффективность ные в 105-106 раз эмиссионные изображения вершины полевого эмиттера. Если учесть большую работу выхода острия на экране проектора. Для выявления влияния углеродных материалов (например, у графита работа покрытий на характеристики полевых эмиттеров наряду выхода e 4.7eV), то существует практически с этим производилось измерение вольт-амперных харакединственная возможность получения при малых напрятеристик всего острия и отдельных выделенных струкжениях больших токов с острийных эмиттеров, имеющих тур на его поверхности. Кроме того, контролировались углеродное покрытие. Для этого необходимо сформизначения напряжений UI, необходимых для получения ровать на их поверхности микровыступы, усиливающие фиксированных токов I автоэмиссии. Характерные осоэлектрическое поле. Именно трудности создания такого бенности зависимостей UI от времени напыления (”крирода структур и реализации самого процесса нанесения вых напыления”) позволили приближенно определять покрытий из этого высокотемпературного материала толщину покрытий или выявлять моменты структурпрепятствуют широкому применению углерода. Большие ных преобразований, связанных с возникновением (или возможности в создании покрытий с микроструктурапропаданием) микровыступов на поверхности эмиттера, ми, усиливающими электрическое поле, казалось бы, усиливающих электрическое поле.

открывает использование нанотрубок [3,4]. Но пока и Для регистрации изображений экрана проектора приих применение не позволило создать острийные катоды менялась чувствительная телевизионная камера. Сигнас приемлемыми токовыми характеристиками, поскольку лы с телекамеры с помощью специального контроллера до сих пор не разработано достаточно простых технооцифровывались и передавались в персональный комлогий формирования упорядоченных структур из нанопьютер, который использовался для их архивирования трубок. Мы решили рассмотреть возможности испольи последующей обработки. Такая система позволяла назования для покрытия полевых эмиттеров родственного дежно фиксировать изображения при чрезвычайно малых материала — молекул фуллерена C60. Этот материал токах с острия ориентировочно вплоть до значений не применялся ранее для таких приложений. Однако мы I 0.01-0.02 µA. При этом обеспечивалась скорость исходили из предположения, что большие шарообразные молекулы C60 легче использовать, чем нанотрубки, для регистрации до 24 кадров в секунду. Высокие показатесоздания на поверхности тугоплавких материалов уси- ли чувствительности и быстродействия использованной 106 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.А. Ефремов, А.С. Поляков На вершине вольфрамового острия с помощью термической обработки перед нанесением фуллереновых покрытий создавался монокристалл. Тепловая обработка напыленных фуллереновых слоев при температуре 950-1000 K приводила к разложению молекул фуллерена и к формированию на вершине острия так называемого ребристого кристалла со слоем карбида вольфрама на его поверхности [8]. Обратный переход от ребристого кристалла к чистому монокристаллу вольфрама (”очистку” эмиттера) удавалось осуществить прогревом острия при температурах, близких к предельным, или прогревом при более низких температурах после предварительного существенного (на несколько порядков) увеличения давления в приборе. Типичные изображения вольфрамового острия и ребристого кристалла представлены на рис. 1. Исследования выполнены с вольфрамовыми острийными эмиттерами, имеющими диаметр вершины ориентировочно от 0.3 до 2 µm. Изучено формирование фуллереновых покрытий, нанесенных как на монокристалл вольфрама, так и на ребристый кристалл. Основные результаты, которые будут описаны ниже, получены хоть и с использованием описанной выше слабовозмущающей методики измерений, но в статическом режиме.

Поэтому там, где это специально не оговаривается, речь идет именно о статическом режиме.

Экспериментальные результаты и их обсуждение 1) Характеристики фуллереновых покрыРис. 1. Эмиссионные изображения монокристалла вольфратий, формируемых в отсутствие сильного ма (a) и ребристого кристалла (b). Слева на рис. 1, a (а также на некоторых последующих эмиссионных изображениях) видна воздействия электрического поля. Как показатень держателя полевого эмиттера.

ли эксперименты, если наносить покрытие в отсутствие электрического поля у острия, и на чистом вольфраме и на ребристом кристалле на ранних стадиях напыления формируется довольно однородный по поверхности слой системы наблюдения эмиссионных изображений позвомолекул фуллерена без ярко выраженных выступов. Сналяли при необходимости свести к минимуму влияние чала с ростом его толщины в силу увеличения работы электрического поля на структуру покрытия в процесвыхода поверхности при фиксированном напряжении U се ее регистрации, даже в статическом режиме. Доуменьшается ток на экран и по этой же причине повышаполнительно уменьшить влияние электрических полей ются напряжения UI, необходимые для получения фиксипри регистрации характеристик эмиттера можно было, рованного тока I. Дальнейшие изменения напряжений UI проводя измерения в режиме коротких (длительностью существенно зависят от величины регистрируемого тока 4 µs) импульсов с регулируемой, но невысокой автоэмиссии I. Это иллюстрирует рис. 2, на котором частотой следования f 400 Hz. Осуществленная сравниваются ”кривые напыления” uI(t) (зависимости возможность снижения действия электрических полей от времени напыления t величины uI, равной отношево время измерений позволила лучше понять влияние нию напряжения UI, измеренного в момент t, к его электрических полей, специально создаваемых в процесначальному значению UI(0) в момент времени t = 0).

се обработки покрытий.

Кривые 1 и 2 получены соответственно при токах 0.Исследовалось влияние на изучаемые параметры полеи 0.25 µA. Характеристики напыления на ребристый вых эмиттеров количества наносимого вещества (толщикристалл показаны также на рис. 3. Здесь сравниваются ны покрытия ориентировочно до 50-100 монослоев), зависимости u0.02(t), полученные при одинаковом токе температуры подложки T (от комнатной до 2800 K) I = 0.02 µA, но при разных скоростях нанесения фуллеи электрических полей, создаваемых при приложении ренового покрытия (разных накалах ячейки Кнудсена).

напряжения U между катодом и экраном (приблизитель- Не останавливаясь пока на причинах изменения вида но до 108 V/cm). Основные эксперименты выполнены кривых напыления с ростом регистрируемого эмиссионпри давлениях остаточного газа в экспериментальном ного тока, сделаем некоторые полезные выводы о харакприборе 10-10-10-9 Torr. теристиках фуллереновых покрытий на основе данных, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Острийные полевые эмиттеры с фуллереновым покрытием вольфрам. Характеристики uI(t), измеренные при разных скоростях напыления, качественно подобны и отличаются в основном временем tm достижения величины uIm.

Интервал времени tm падает с ростом скорости напыления. Обычно скорость напыления покрытий определяется на основе кривых напыления. Форма приведенных на рис. 2, 3 характеристик напыления типична для автоэмиссионных систем, работа выхода которых увеличивается с толщиной покрытия. Приближение напряжения uI к максимальному значению uIm на кривых напыления можно связать с достижением монослойного покрытия. Если придерживаться этой точки зрения, то из приведенных на рис. 3 характеристик следует, что монослойные покрытия создавались на ребристом кристалле за времена (кривая 1), 30 (кривая 2) и 175 min (кривая 3).

По тем же соображениям при выбранной скорости напыления на чистый вольфрам монослойное покрытие на его поверхности формировалось за время 20 min (рис. 2, a).

Сравнение значений напряжения U0.02, необходимых для получения фиксированных токов с чистого вольфрама и с вольфрама, покрытого фуллереновой пленкой толщиной 1.5-2 монослоя (mL), позволяет определить работу выхода e фуллеренового покрытия.

В соответствии с полученными данными эта работа выхода приблизительно равна 5.5 eV.

Проведенные оценки скорости напыления покрытий и работы выхода возможны, с нашей точки зрения, Рис. 2. Нормализованные кривые напыления uI(t) для чистого только в условиях, когда покрытие достаточно однородно вольфрама (a) и ребристого кристалла (b). 1, 2 получены и на нем отсутствуют участки сильного локального соответственно при I = 0.02 и 0.25 µA.

усиления электрического поля, обусловленные формированием объемных микроструктур. Такие условия, даже при выбранной слабовозмущающей методике измерений, нам удалось реализовать только при толщинах покрытия < 2-4 mL. Рис. 4 иллюстрирует типичные изменения вида эмиссионной картины на разных стадиях нанесения фуллеренового покрытия на вольфрамовое острие.

Проведенные наблюдения свидетельствуют, что при толщинах покрытия 0.2-1.1 mL существуют лишь незначительные неоднородности эмиссии в виде отдельных малых пятнышек. Неоднородности увеличиваются с толщиной покрытия, однако вплоть до 2-4mL они дают сравнительно небольшой вклад в полный эмиссионный ток острия. Именно поэтому хорошо различимо исходное распределение эмиссии вольфрамового острия.

Лишь при больших толщинах покрытия возникают яркие Рис. 3. Кривые напыления u0.02(t) для ребристого кристалла, эмиссионные пятна, связанные с ростом на поверхности измеренные при токе I = 0.02 µA и разных температурах микровыступов, существенно усиливающих электричеячейки Кнудсена. T, K: 1 — 600, 2 — 580, 3 — 550.

ское поле. При этом на эмиссионном изображении уже не видна картина подложки.

2) Влияние электрического поля на хараполученных при токе I = 0.02 µA, т. е. в условиях ктеристики фуллереновых покрытий. Отмеминимального воздействия электрических полей в про- ченное формирование объемных микрообразований на цессе измерений. В таких условиях после достижения фуллереновом покрытии, видимо, связано даже с кратконекоторого максимального значения uIm величина uI временным действием тех сравнительно слабых электрислабо уменьшается с ростом толщины покрытия в случае ческих полей, которые были необходимы для получения ребристого кристалла и практически не меняется в эмиссионного изображения на экране проектора. В польтечение длительного времени при напылении на чистый зу такого объяснения говорит существенное изменение Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 108 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.А. Ефремов, А.С. Поляков усилением поля на неоднородностях и связано резкое падение кривых напыления, измеренных при токе 0.25 µA, по сравнению с аналогичными характеристиками, полученными при 0.02 µA.

О влиянии электрического поля говорят не только приведенные данные. Были выполнены и специальные эксперименты, в которых сформированные покрытия выдерживались в электрическом поле. Наглядно отражает Рис. 4. Эмиссионные изображения вольфрамового острия, зарегистрированные при I = 0.02 µA,, mL: a —0.2, b —1.1, c —5.

вида кривых напыления, происходящее при увеличении регистрируемого тока (сравни характеристики 1 и на рис. 2). Видимо, контроль изображений экрана при больших эмиссионных токах (и соответственно больших напряжениях) ведет к перестройке покрытия уже в процессе измерений. На рис. 5 показана серия эмиссионных изображений, полученных при токе эмиссии 0.25 µA.

Уже при толщинах покрытия 0.5 mL во время наблюдения в этом режиме на поверхности вольфрамового острия формируются микронаросты, дающие заметный вклад в эмиссию. При больших толщинах неоднородРис. 5. Эмиссионные изображения вольфрамового острия, ности растут настолько сильно, что даже при значении зарегистрированные при I = 0.25 µA,, mL: a —0.5, b —1.7, =1.7 mL картина подложки неразличима. Именно с c —4.5.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Острийные полевые эмиттеры с фуллереновым покрытием Нужно отметить, что формирование микровыступов на поверхности фуллеренового покрытия было замечено нами не только в статическом режиме, но и в импульсных измерениях. Возникновение таких неоднородностей наблюдалось только при существенно больших (по сравнению со статическим режимом) отбираемых токах 10 µA (и напряженностях электрического поля).

В настоящее время еще не накоплено достаточного количества данных о процессах в импульсном режиме.

Поэтому пока не удается четко выявить временные характеристики роста микронеоднородностей.

3) Формирование устойчиво эмиттирующих структур на поверхности фуллереновых покрытий. Как уже упоминалось выше, в результате полевой обработки фуллереновых покрытий Рис. 6. Изменение величины u0.25 во времени под действием на вольфраме могут быть сформированы микрообразоэлектрического поля (”полевая обработка”).

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.