WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 9 05;10;11;12 Энергораспределение автоэлектронов из углеродного нанокристалла 2 © В.М. Лобанов,1 Ю.М. Юмагузин 1 Башкирский государственный аграрный университет, 450001 Уфа, Россия 2 Башкирский государственный университет, 450074 Уфа, Россия e-mail: bgau@soros.bashedu.ru (Поcтупило в Редакцию 10 мая 2001 г. В окончательной редакции 14 января 2002 г.) С помощью полевого электронного микроскопа и дисперсионного энергоанализатора автоэлектронов исследовались углеродные нанокристаллы, содержащиеся в углеродном ПАН волокне. Обнаружен переход эмиттирующих нанокристаллов во второе стабильное состояние, соответствующее почти на порядок меньшему току эмиссии и энергораспределению автоэлектронов с дополнительным низкоэнергетическим максимумом. Прогрев образцов при 750C восстанавливал исходные энергораспределения автоэлектронов и вольт-амперные характеристики нанокристаллов. Оценивалась ширина запрещенной зоны нанокристаллов.

Введение в вакууме при температуре 750C, определявшейся с помощью оптического пирометра. Полученный автоПоявление в 70-е годы технологий изготовления катод через шлюзовое устройство вводился в сверхтонких углеродных волокон стимулировало широкие высоковакуумную камеру УСУ-4, оборудованную полеисследования с целью создания углеродного автокавым электронным микроскопом-проектором Мюллера тода, обладающего высокой температурой плавления, и электростатическим дисперсионным энергоанализатоадсорбционной интертностью к остаточным газам в варом, вторично-электронный умножитель которого рабокууме, высокими электропроводностью и механической тал в режиме счета импульсов.

прочностью. Но возникшие на этом пути трудности не После шлюзования в условиях технического вакуума удалось преодолеть до сих пор: 1) получение острия проводилась „формовка“ эмиттера доведением величис гладкой поверхностью и регулярным изображением;

ны полного тока эмиссии до 150 µA, позволявшая 2) энергоанализ автоэлектронов показал существование выделить нанокристаллы на эмиссионной поверхности энергораспределений двух видов: нормального, объясниволокна за счет распыления аморфного углерода ионамого в рамках модели свободных электронов, и широкоми остаточных газов [3]. Наблюдавшаяся на экране го с двумя максимумами. Исследования энергоанализа микроскопа картина свидетельствовала об интенсивной автоэлектронов осложнялись гетерогенностью состава эмиссии электронов со всего торца углеродного воуглеграфитовых эмиттеров — одновременным присутлокна. На зондирующее отверстие энергоанализатора ствием кристаллической и аморфной фаз углерода. Не выводилось отдельное яркое пятно. В сверхвысоком ваудалось связать вид энергораспределения с фазовым сокууме эмиссионная поверхность образца дополнительно стоянием зондируемой области эмиттера, учесть зонную очищалась прогревом вольфрамовой дужки до 750C структуру этой области. О нанокристаллах углеграфитовых материалов известно, что они обладают запре- (поверхность углеграфитовых материалов практически полностью очищается при температуре 650C [4]).

щенной зоной, ширина которой уменьшается от 0.5-0.до < 0.01 eV с ростом температуры термообработки Измерения энергораспределения автоэлектронов (ЭРА) от 600 до 2300C и увеличением размеров нанокристал- проводились по методике, изложенной в [5], положение лов от 1.5 до 15 nm [1].

уровня Ферми определялось по эталонному вольфрамоВ настоящей работе объектом исследований служило вому эмиттеру. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) углеродное ПАН волокно (углеродное волокно, пригозондового тока строились по значениям тока электротавливаемое из синтетического полиакрилонитрильнонов, проходившего через энергоанализатор, и соответго волокна) с температурой отжига 900C. Базисные ствующим значениям анодных напряжений Ua.

плоскости содержащихся в нем нанокристалллов ориентированы вдоль оси волокна, размеры нанокристаллов 1.5-8 nm, ширина их запрещенной зоны лежит в Результаты эксперимента пределах 0.15-0.03 eV [1,2].

После прогрева эмиттера в сверхвысоком вакууме зондовый ток обладал стабильностью достаточной для Условия эксперимента проведения измерений ЭРА. На рис. 1, a показано изИсследуемое волокно длиной 1 mm крепилось аква- менение ЭРА, происходившее с увеличением аноднодагом к узкой полоске танталовой фольги, приваренной го напряжения: энергораспределение смещалось в обк вольфрамовой дужке и после сушки прогревалось ласть низких энергий с шагом, пропорциональным шагу Энергораспределение автоэлектронов из углеродного нанокристалла увеличения Ua. Это смещение ЭРА в область низких энергий сопровождалось сильным уширением его высокоэнергетического края. После сканирования ЭРА при Ua = 3980 V произошло резкое уменьшение яркости эмиссионного пятна и величины тока эмиссии, повторное сканирование ЭРА обнаружило дополнительный низкоэнергетический максимум, расположенный на 0.45 eV ниже основного.

В ходе исследования приготовление образцов было дополнено еще одним этапом, который выполнялся после формовки в техническом вакууме: в условиях сверхвысокого вакуума поверхностный слой автокатода несколько раз срывался импульсами тока величиной 130 µA до получения однородного, стабильно эмиттирующего яркого пятна в центральной части эмиссионного изображения. Это пятно затем выводилось на зондирующее отверстие энергоанализатора.

После прогрева в сверхвысоком вакууме ЭРА второго образца имело один максимум и с ростом Ua равномерно смещалось в область низких энергий. Так же как и у первого образца, наблюдалось сильное уширение высокоэнергетического края, а при Ua = 3980 V произошло резкое уменьшение эмиссионного тока и яркости эмисРис. 2. Шаг смещения вершины и низкоэнергетического сионного пятна и в энергораспределении автоэлектрокрая ЭРА из углеродного нанокристалла пропорционален шагу нов появился дополнительный низкоэнергетический максимум на 0.45 eV ниже основного. С уменьшением Ua увеличения анодного напряжения. Ua = 2800 (1), 2900 (2), 3000 (3), 3100 (4), 3200 (5), 3300 (6), 3400 (7), 3500 (8), относительная величина низкоэнергетического максиму3600 (9).

ма в ЭРА уменьшалась и энергораспределение равномерно смещалось в высокоэнергетическую область.

Прогрев образца при 750 приводил к восстановлению исходных ЭРА в ВАХ зондового тока, но после Переход (I II) происходил при достижении некоподъема Ua до 3800 V, а после третьего прогрева лишь торого характерного для каждого образца значения до 3700 V вновь происходило падение зондового тока, анодного напряжения. При этом в ЭРА появлялся допола в ЭРА появлялся дополнительный низкоэнергетиче- нительный низкоэнергетический максимум на 0.45 eV ский максимум на 0.45 eV ниже основного. Резуль- ниже основного, а ВАХ зондового тока переходила татом проведенных измерений стали пары 1–2, 3–4 в нижнее положение. Прогрев образцов при 750C и 5–6 вольт-амперных характеристик зондового тока, возвращал ЭРА и ВАХ в исходное состояние, приводил представленные на рис. 1, b, соответствующие ЭРА с к переходу (II I).

одним (I) и двумя (II) максимумами (рис. 1, a).

Для проверки соответствия шага смещения энергораспределения автоэлектронов шагу изменения анодного напряжения Ua проводились специальные измерения ЭРА после длительного прогрева образца и перестройки режима ВЭУ энрегоанализатора. Результаты этих измерений представлены на рис. 2.

Обсуждение результатов Полученные результаты указывают на взаимосвязанное существование энергораспределений автоэлектронов из углеграфитовых катодов с одним и двумя максимумами.

ЭРА I имели образцы после прогрева при T = 750C в отсутсвие электрического поля. ЭРА II появлялся Рис. 1. Увеличиние Ua вызывало смещение ЭРА в область низво время токоотбора при достижении анодным наких энергий, при Ua = 3980 V происходил ЭРА I ЭРА II (a) пряжением некоторого порогового значения. Переход и вольт-амперные характеристики нанокристалла ВАХ I ЭРА I ЭРА II сопровождался падением зондового тои ВАХ II, соответствующие ЭРА I и ЭРА II (b). a — ка почти на порядок. Падению зондового тока и переUa = 3620 (1); 3680 (2); 3740 (3); 3800 (4); 3860 (5); 3920 (6);

3980 (7, 8). ходу ЭРА I ЭРА II предшествовало смещение энерЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. 110 В.М. Лобанов, Ю.М. Юмагузин соответствующими дну зоны проводимости и вершине валентной зоны.

На рис. 4, a показано изменение формы вершины ЭРА исследованных образцов при наименьших значениях анодного напряжения. Подобные изменения вершины ЭРА в зависимости от анодного напряжения наблюдались и на других образцах, показывавших при больших значениях анодного напряжения линейное смещение энергораспределения в низкоэнергетическую область ЭРА с широкой вершиной (рис. 4, a), предшествующие началу зинеровского туннелирования электронов, мы относим к ширине потенциального барьера, при Рис. 3. Смещение вершины ЭРА I образцов 1 и 2 относителькоторой вершина в равной мере формируется электроно уровня Ферми (a) и ВАХ зондового тока образцов 1 и 2, нами, туннелирующими со дна зоны проводимости и соответственно ЭРА I (b).

с вершины валентной зоны, и, к сожалению, довольно большим потоком электронов, эмитирующих с ПЭС, локализованных внутри запрещенной зоны и не позволяющих разрешить запрещенную зону в ЭРА. Оценка гораспределения в область низких энергий с шагом, верхних пределов ширины запрещенной зоны эмитипропорциональным шагу увеличения анодного напряжерующих нанокристаллов исследованных образцов по ния Ua. Подобный характер смещения ЭРА в случае ширине средних ЭРА дает величины соответственно с полупроводниковыми эмиттерами свидетельствует о и 150 meV.

проявлении эффекта Зинера [6].

Таким образом, ширина запрещенной зоны эмитДля появления заметного туннелирования электронов тирующего нанокристалла первого образца составила из валентной зоны в зону проводимости в полупровод Eg = 70-100 meV, второго образца Eg 150 meV, нике с шириной запрещенной зоны Eg 1eV требучто вполне соответствует диапазону величин Eg угются электрические поля напряженностью 109 V/m, леродных нанокристаллов углеграфитовых материалов, для Eg 0.1 eV соответствующая напряженность поля отожженных при 900C.

составляет 3 · 107 V/m. В нашем эксперименте паде- Необходимо отметить, что на протяжении всего исние напряжения на эмиттирующем углеродном нано- следования линейное смещение ЭРА в область низких кристалле, отсчитанное по смещению вершины ЭРА энергий с ростом Ua присутствие эффекта Зинера мы считали критерием того, что зондирующий участок (рис. 3, a) при низких Ua до выхода смещения на линейный участок, достигало 150 mV, что в нано- эмиссионной поверхности является поверхностью нанокристалла, а не аморфной части эмиттера.

кристаллах ПАН волокна размерами 1.5-8 nm создаНеобходимо также отметить общие особенности поет электрические поля напряженностью 107-108 V/m, ведения ЭРА I: кроме наблюдавшегося смещения энервполне достаточной для туннелирования электронов из гораспределения в низкоэнергетическую область с шавалентной зоны нанокристалла в его зону проводимости.

гом, пропорциональным шагу увеличения Ua, при наиДля полупроводниковых эмиттеров известно, что паменьших значениях Ua низкоэнергетический край ЭРА дение напряжения на эмиттере, соответствующее линейному участку ВАХ в координатах Фаулера–Нордгейма (при низких анодных напряжениях), приблизительно равно ширине его запрещенной зоны. Оценка падений напряжения на исследованных образцах по нелинейным участкам графиков смещения (рис. 3, a), соответствующим линейным участкам ВАХ (рис. 3, b), дает нижние пределы ширины запрещенной зоны эмиттирующих нанокристаллов исследованных образцов 70 и 150 meV.

В исследованиях энергораспределения автоэлектронов из полупроводников основную трудность в получении ЭРА с двумя максимумами, соответствующими дну зоны проводимости и вершине валентной зоны, доставляло влияние поверхностных электронных состояний (ПЭС), локализованных внутри запрещенной зоны [7]. Вклад электронов, эмитирующих с этих ПЭС, в ЭРА оказывался настолько велик, что скрывал истинное распределение электронов по энергиям внутри полуРис. 4. Изменение формы вершины ЭРА I при наименьших проводника и не позволил получить энергораспределе- значениях Ua (a) и наложение высокоэнергетических краев ние автоэлектронов с двумя максимумами, однозначно ЭРА I и ЭРА II, измеренных при Ua перехода I II (b).

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Энергораспределение автоэлектронов из углеродного нанокристалла сужался и энергораспределение становилось более сим- нанокристаллов и обнаружить для углеродного нанометричным. С ростом Ua линейному смещению вер- кристалла, ориентированного базисными плоскостями в шины ЭРА соответствовало линейное смещение его направлении эмиссии, два стабильных состояния поленизкоэнергетического края, а смещение высокоэнерге- вой эмиссии электронов, отличающиеся токами эмиссии тического края в область низких энергий при больших почти на порядок и соответствующие ЭРА с одним и значениях Ua прекращалось и начиналось его уширение двумя максимумами. Процесс перехода эмитирующего в высокоэнергетическую область (рис. 2). Уширение нанокристалла из первого стабильного состояния во высокоэнергетического края ЭРА подобного характера второе, сопровождавшийся уменьшением эмиссионного обычно имеет место при разогреве вольфрамовой дужки тока и появлением в ЭРА дополнительного низкоэнергеэлектрическим током накала, поэтому уширение высокотического максимума на 0.45 eV ниже основного, восэнергетического края ЭРА в данном случае мы отнесли производился детально на нескольких образцах. Прогрев к разогреву электронов и решетки нанокристалла пропри 750C восстанавливал первоначальные ЭРА и ВАХ никающим электрическим полем. Кроме того, при сананокристаллов.

мых больших Ua темп уширения высокоэнергетического Переходу эмитирующего нанокристалла из первого края значительно возрастал. Процесс уширения ЭРА I стабильного состояния во второе предшествовал эффект заканчивался резким уменьшением зондового тока и Зинера, свидетельствующий о наличии узкой запрещенпоявлением дополнительного низкоэнергетического макной зоны, ее величина оценена для двух образцов:

симума, переходом ЭРА I ЭРА II (рис. 1, a). Хорошее в пределах 70-100 meV для первого и 150 meV для совпадение при наложении высокоэнергетических краев второго.

ЭРА I и ЭРА II, измеренных при анодном напряжении перехода I II Ua = 3980 V (рис. 4, b), показывало, что уширенная форма высокоэнергетического края ЭРА I Список литературы сохранялась после перехода углеродного нанокристалла [1] Шулепов С.В. Физика углеграфитовых материалов. М.:

во второе стабильное состояние.

Металлургия, 1972. 254 с.

С учетом вышеизложенного предлагается следующее [2] Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия, объяснение наблюдавшегося изменения энергораспреде1979. 272 с.

ления автоэлектронов из углеродного нанокристалла.

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.