WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 8 05;11;12 Высокотемпературное полевое испарение рения © О.Л. Голубев, В.Н. Шредник Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: V.Shrednik.@pop.ioffe.rssi.ru (Поcтупило в Редакцию 21 января 2002 г.) С помощью полевых эмиссионных методов изучалось высокотемпературное полевое испарение Re, а также Pt, Ta и W. Ионы металлов испарялись в основном с вершин термополевых микровыступов, возникающих на поверхности эмиттера под воздействием высоких электрических полей и температур.

В полях напряженностью до F = 1-2V/ и температурах T до 1500-2000 K регистрировались ионные токи i со всей поверхности эмиттера от долей nA до нескольких nA. С использованием графиков Аррениуса lg i = f (1/T ) были определены энергии активации процесса полевого испарения, которые оказались заметно меньше полученных расчетным путем на основе модели обмена зарядом при известных параметрах процесса испарения и испаряемого металла. Обсуждаются причины подобного различия энергий активации и механизм явления испарения ионов при высоких F иT.

Введение Техника эксперимента Изучению высокотемпературного полевого испарения Основные результаты, представленные в данной рапосвящено относительно немного работ, общее число боте, получены при изучении Re; ряд экспериментов публикаций не превышает двух десятков, тогда как проводился также с Ta, W и Pt. Острия с радиполевому испарению при криогенных температурах по- усом в доли микрон получались методом обычного священо более тысячи публикаций. Еше более ограни- электролитического травления в соответствующих растчен круг исследованных материалов, это в основном ворах [3]. Эксперименты проводились как на отпаянных металлы Ir, W, Pt, Au и некоторые сплавы W-Hf, диодах-микроскопах, содержащих острия-объекты из соMo-Hf, W-Si, хотя интерес к этому явлению очевиден ответствующего металла и люминесцентные экраныкак с научной, так и с практической точек зрения. коллекторы, так и на установке, позволявшей совмеВысокотемпературное полевое испарение реализуется щать режимы работы полевого электронного, ионного при одновременном воздействии сильных электрических и десорбционного микроскопов, содержавшй микрокаполей (обычно напряженностью F для тугоплавких нальный усилитель яркости изображения. Температура металлов до 1-2V/) и высоких температур, создаю- острия T определялась методами оптической пирометщих активную поверхностную самодиффузию металла. рии с точностью 20, а напряжения и токи регистрироПри этом на поверхности кристаллов-острий происходят вались цифровыми вольтметрами с точностью 0.5-1%.

весьма нетривиальные физические явления. Например, Напряженность электрического поля F определялась именно при таких условиях было обнаружено явление из наклона характеристик Фаулера–Нордгейма [4] в полевого кристаллического роста: образование больших предположении, что работа выхода = 5.0eV для Re, кристаллических наростов-макронаростов на плотноупа- 4.4 eV для W, 5.32 eV для Pt и 4.1 eV для Ta [5]. Покованных гранях острия [1], а также малых микровыс- скольку при испарении ионов под воздействием сильных тупов на вершинах и ребрах ограниченного кристалла- полей и высоких температур на поверхности эмитострия. В этих же условиях были выявлены интересные тера происходят сложные процессы полевой поверхособенности динамического роста и испарения макрона- ностной самодиффузии и полевого кристаллического ростов, которые на изображении поверхности острия в роста, поле сложным образом зависит от приложенсобственных испаряющихся ионах обеспечивали эффект ного напряжения U и T. При этом существенны две схлопывания колец [2]. С практической же точки зрения величины F, характеризующие процесс формоизменения испарение ионов при высоких T и F позволяет создать острия: первичное поле, которое необходимо приложить точечные источники ионов и электронов непрерывного к эмиттеру, чтобы вызвать его формоизменение при действия с достаточно большим ресурсом и хорошей заданной T за фиксированное время, и конечное F, воспроизводимостью. Такие источники перспективны которое получается после достижения эмиттером какойпри решении задач нанотехнологии, диагностики поверх- либо стационарной формы. Первичное поле назовем ности и создания электронных приборов и устройств полем обработки Ffr, а результирующее поле назовем стационарным Fst. Стационарное поле может вызывать принципиально нового типа.

110 О.Л. Голубев, В.Н. Шредник либо не вызывать полевое испарение. В том случае, когда при достижении Fst наблюдается полевое испарение, будем называть Fst испаряющим полем Fev. Статические электронные изображения регистрировались фотографически, а быстро меняющиеся во времени десорбционные — с помощью видеокамеры. Вакуум в отпаянных приборах был 10-10-10-11 Torr по адсорбирующимся газам, а в случае установки с усилителем яркости — 10-8 Torr.

Результаты эксперимента Примененная в экспериментах методика давала возможность одновременно измерять ионные токи острияэмиттера, определять величины Fev и наблюдать состоРис. 2. Температурные зависимости величин испаряющих яние поверхности эмиттера с разрешением, близким к полей. Значения U те же, что и на рис. 1.

атомарному. На рис. 1 показаны зависимости ионного тока i со всей поверхности Re острия от температуры эмиттера T при различных величинах приложенного между острием и экраном напряжения U, а на рис. 2 — характер этого изменения, наибольшие изменения F температурные зависимости величины Fev, при этом наблюдаются, как правило, не при крайних, а при каждая кривая Fev(T ) соответствует различным величисредних значениях диапазона изменения T, хотя обнам i, но одной и той же величине U. Из рис. 1 видно, щий интервал изменения F и невелик. Если принять что повышение T эмиттера приводит к значительному величину Fev как среднюю между максимальным и росту ионного тока, рост T на 15% приводит к росту минимальным значениями F во всем диапазоне его измевеличины i в 10-15 раз. При этом на зависимостях i(T ) нения, то при U = 10 kV величина Fev = 1.15 ± 0.18 V/, видны два участка роста i: более пологий при низких T при U = 11 kV эта же величина Fev = 1.52 ± 0.12 V/ и резкий, крутой при высоких T. При этом необходимо и в случае U = 13 kV Fev = 1.92 ± 0.08 V/. При этом отметить, что величина i довольно сильно флюктуирует видно, что величина Fev возрастает непропорционально при неизменных T и U, величины флюктуаций могут росту приложенного напряжения U.

быть значительными, i может меняться от десятков % до Ответ на вопрос о причинах подобных зависимостей i нескольких единиц и измеренные i являются средними и Fev дают эмиссионные изображения поверхности Re во времени величинами.

острия в процессе воздействия высоких F и T, предНа рис. 2 показана зависимость Fev(T ) при различставленные на рис. 3. Исходная поверхность Re обычных U. Обращает на себя внимание относительно слабое ной ориентации острия {1120} показана на рис. 1, a, изменение величины F с изменением T и немонотонный где на поверхности выявляются грани типа {1120}, {1010}, {1011} и {1122}, наиболее плотноупакованные грани {0001} находятся сверху и снизу изображения.

Подобное острие формы отжига в случае тугоплавких металлов при обычно используемых величинах Ftr 0.3-0.6V/ давать эмиссию ионов не может. Однако одновременное воздействие высоких T и F на острие приводит к хорошо известному явлению термополевого формоизменения острия [6]. Рис. 3, b показывает форму острия, перестроенного в поле, а рис. 3, c — полностью перестроенного острия, когда поверхность состоит только из расширившихся плотноупакованных граней и разделяющих их ребер и углов. В случае формы полностью перестроенного острия уже наблюдается эмиссия ионов, поскольку действующее поле при этом возрастает от ttr = 0.41 V/A для формы отжига до Fev = 0.95 V/ для полностью перестроенной формы. При таких величинах F уже возможно испарение ионов Re при T 1800 K. На начальном участке завиРис. 1. Зависимости величин ионных токов со всей поверхсимости i(T ) наблюдается эмиссия именно с эмиттера в ности Re острия от температуры эмиттера. U, kV: 1 — 10, 2 — 11, 3 — 12, 4 — 13. форме полностью перестроенного острия либо близкой Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Высокотемпературное полевое испарение рения Рис. 3. Полевые электронные изображения поверхности Re острия в процессе одновременного воздействия высоких T и F.

a — исходная форма отжига; b — форма острия, перестроенного в поле; c — форма полностью перестроенного острия; d —форма перестроенного острия с несколькими микровыступами; e — форма острия с большим количеством микровыступов, выросших на углах и ребрах макронаростов; f — форма острия после термического сглаживания микровыступов при T 1000 K, видны макронаросты на плотноупакованных гранях Re.

к ней формы или полностью перестроенной формы Такая же картина характерна и для других изученных с несколькими микровыступами Рис. 3, d. При боль- металлов. На рис. 4, a показана исходная форма отжиших значениях i наблюдается уже следующая стадия га Ta острия, а на рис. 4, b — форма с микровыступами на вершинах макронаростов. Подобные микровыстутермополевого формоизменения острия — образование пы и дают ток ионов Ta i = 0.5nA при T = 1800 K макронаростов на плотноупакованных гранях, углы и и Fev = 1.27 V/. При этом исходный фактор поля ребра которых покрыты микровыступами. На рис. 3, e показана именно такая форма острия, а последний в се- острия = F/U возрастает от = 4995 1/cm для формы отжига (рис. 4, a) до = 12 656 1/cm (рис. 4, b), соответрии рис. 3, f — поверхность острия после термического ственно возрастает и F от исходного для формы отжисглаживания микровыступов кратковременным прогрега Ftr = 0.51 ± 0.02 V/до Fev =(1.24-1.27) ± 0.02 V/ вом при невысоких T 1000 K. Видны макронаросты для формы, показанной на рис. 4, b. В случае эксна всех плотноупакованных гранях поверхности. При периментов с W острием удалось измерить велиэтом, как было показано в работе [2], макронаросты, чину i с единичного микровыступа. При величинах несмотря на их вполне макроскопические размеры, не являются неизменными образованиями, они испаряются через эмиссию ионов с вершин микровыступов и затем вырастают вновь. Подобный процесс периодического роста и испарения макронаростов с микровыступами и приводит к значительным флюктуациям ионного тока.

Таким образом, эмиссионные изображения показывают, что эмиссия ионов в основном происходит с поверхности эмиттера, покрытой макронаростами и микровыступами. Такие формы, получающиеся при разных T и одном и том же U, мало отличаются друг от друга геометрически, этим и объясняется слабое изменение Fev при изменении T на рис. 2. Резкий рост F с ростом T Рис. 4. Полевые электронные изображения поверхности Ta при неизменном U происходит лишь при переходе от острия в процессе одновременного воздействия высоких T и F.

исходной сглаженной формы отжига острия к перестроa — исходная форма отжига, b — форма с микровыступами на енным формам. вершинах макронаростов.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 112 О.Л. Голубев, В.Н. Шредник процесса полевого испарения, на это указывал Мюллер много лет назад [8]. Подобный же график Аррениуса, полученный для Re при U = 13 kV и Fev = 1.92 ± 0.08 V/, дает величины Qn = 2.6 ± 0.18 eV и nhr0 = 6 · 1020 1/s, 0 1018 1/s, а при U = 10 kV — Qn = 3.7 ± 0.75 eV и 0 1018 1/s.

Такой же график Аррениуса, полученный при полевом испарении Pt острия в интервале T = = 1400-1700 K и величине F = 1.1 ± 0.14 V/, дал величины Qn = 3.05 ± 0.1 eV и частотный множитель 0 = 3 · 1015 1/s.

Обсуждение результатов Прежде всего обращают на себя внимание относительно низкие величины Qn, получающиеся из экспеРис. 5. График Аррениуса lg i = f (1/T ) для высокотемпераримента. Согласно модели обмена зарядом [9], общетурного полевого испарения Re при напряжениях U = 12 kV.

Величины ионных токов i измерены не в nA, а в числе принятой в настоящее время, величина Qn определяется испаряемых ионов в секунду (T —в K).

выражением Qn = 0 + In - n - 3.8 nF + 0.0345 F2, (2) n где 0 — теплота испарения элемента, In — суммарT = 1600 K и F 1.5V/ ионные токи составляли n ный потенциал ионизации n-кратно заряженного иона, обычно i 10-13-10-12 A.

n — заряд иона и — поляризуемость атома.

Измеряя величину i при разных T и одной и той же веПри такой записи выражения величина Qn получаличине U, можно определить и кинетические параметры ется в eV, если F определяется в V/ и — в 3.

процесса высокотемпературного полевого испарения — энергию активации Qn и предэкспоненциальный множи- Подставив известные для Re табличные величины 0, тель 0. Согласно Форбсу [7], величина ионного тока I1 и, а также приняв величину =(8 ± 1) 3, опреопределяется выражением деленную для атома Ir на грани {110} W [10], поскольку величина для атома Re неизвестна, мы поi = nhr0 exp(-Qn/kT), (1) лучим величины Qn = 7.64 eV для случая Fev = 1V/ и Qn = 7.05 eV для случая Fev = 2.0V/, т. е. величигде nhr — число атомов на поверхности, находящихся ны, значительно большие экспериментально измеренных в положении „высокого риска “ испарения (high risk), Qn = 2.6-3.6eV.

иначе говоря, число активных эмиссионных центров на Определение расчетной величины Qn было проведено поверхности.

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.