WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 7 02;11;12 Активировка калием полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями © Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.А. Веселов Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: tumareva@rphf.spbstu.ru, sominski@rphf.spbstu.ru (Поступило в Редакцию 29 декабря 2003 г.) Изучено влияние напыления калия на эмиссионные характеристики острийных полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями. Выявлена возможность снижения в 3-4 раза характерных напряжений U1, необходимых для получения фиксированных токов при быстром нанесения на поверхность покрытия атомов калия в количествах, превышающих монослой. Обнаружена и исследована дезактивировка эмиттеров, происходящая при комнатной температуре в отсутствие электрического поля. Указаны возможные причины дезактивировки, обусловленные перераспределением калия в покрытии острия и/или образованием связей калия с молекулами фуллерена. Дезактивировка такого типа практически прекращается по истечении 1-2 суток. Установлено, что нанесение калия на фуллереновое покрытие позволяет заметно (до 50%) снизить значения U1 для исследованных полевых эмиттеров, даже после длительной (около 5 суток) дезактивировки.

Введение шарообразные молекулы показались нам удобным „строительным материалов“ для формирования усиливаюПолевые эмиттеры — привлекательный источник щих электрическое поле микроструктур на поверхности эмиссии для вакуумных электронных устройств. Отсут- острийных полевых эмиттеров. В проведенных экспериствие накала, компактность, безынерционность, возмож- ментах была продемонстрирована возможность создания ность получения высоких плотностей тока — известные одиночных микровыступов на поверхности вольфрамоих достоинства. Точно так же хорошо известны и их вого эмиттера, обеспечивающих весьма высокие плотнедостатки. Довольно легко получить плотности тока ности токов ориентировочно до 107 A/cm2 с площадки ориентировочно до 103-104 A/cm2 c единичного микрон- с диаметром основания 10-15 nm. Такие „точечные“ ного или субмикронного острия, но чрезвычайно трудно источники большой яркости представляют значительный достичь больших по величине токов, даже с существенно интерес для использования в аналитическом прибобольших по площади эмиттеров. Проблема состоит в ростроении. Наряду с этим была разработана также том, что необходимые для автоэмиссии поля 107 B/cm технология создания так называемых „распределенных практически недостижимы у гладкой поверхности. При фуллереновых структур“ в виде множества (несколько умеренных напряжениях эмиссия идет только с усили- десятков) приблизительно одинаковых микровыступов вающих поле неровностей. Создать же большое количе- на поверхности острия. Такие распределенные структуство выступов малого размера, обеспечивающих одно- ры стабильно работали в статическом режиме вплоть родную по поверхности эмиссию, чрезвычайно трудно. до токов около 100 µA с одиночного острия с характерДругая проблема — невысокая долговечность полевых ным радиусом вершины 0.3-0.5 µm. Соответствующие эмиттеров, обусловленная неустойчивостью выступов по предельные токи, при превышении которых происходило отношению к ионной бомбардировке в условиях техни- разрушение острия, имели величину Imax 120-150 µA.

ческого вакуума и к действию сильного электрического Таким образом, исследуя фуллереновые покрытия, мы поля. убедились в том, что молекулы C60 действительно представляют собой удобный материал для создания на Уже устоялась точка зрения, что повышенной устойповерхности эмиттера микроструктур с необходимыми чивостью к ионной бомбардировке и к работе в условиях параметрами. Был выяснен и основной механизм потехнического вакуума обладают покрытия, изготовленные на основе содержащих углерод материалов (см., на- строения системы микроострий. Этот механизм связан с поляризацией больших фуллереновых молекул в сильно пример, [1]). Идет поиск углеродных материалов и технеоднородных электрических полях у поверхности эмитнологий изготовления с их использованием специальных покрытий для полевых эмиттеров. Выделилось несколь- тера и с транспортом этих поляризованных молекул под действием неоднородных полей.

ко направлений поиска. Делаются попытки создания упорядоченных структур из графита, алмазных пленок и Очевидный недостаток полевых эмиттеров с содернанотрубок. Мы в последние годы сосредоточили свое жащими углерод, в том числе и с фуллереновыми, внимание на возможностях создания и использования покрытиями связан с тем, что такие покрытия имеют фуллереновых покрытий из молекул C60 [2–7]. Эти работу выхода около 5 eV, т. е. даже больше, чем у Активировка калием полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями вольфрама. В связи с этим при их эксплуатации для отбора больших токов необходимо использовать большие разности потенциалов между эмиттером и анодом. Делаются попытки снизить работу выхода полевых эмиттеров с такими покрытиями, а также эмиттеров, изготовленных из углерода, с помощью специальных активирующих добавок. Так, в работе [1] указывается на возможность снижения работы выхода массивных плоских графитовых образцов и образцов из углеродного волокна в результате имплантации в указанные образцы ионов цезия. Было достигнуто снижение работы выхода в 1.5-2.0 раза. Однако ток эмиссии таких катодов при их эксплуатации быстро уменьшался и был нестабилен.



Авторы [1] полагают, что активировка эмиттеров может быть улучшена при оптимальном выборе энергии ионов Рис. 1. Схема сечения экспериментального прибора: 1 — цезия при их имплантации.

острийный эмиттер на подвижной подвеске 2, 3 —экран; 4 — Снижение работы выхода исследуемых нами фуллеренапылитель калия, 5 — напылитель фуллереновых молекул, новых покрытий может быть достигнуто при совместном 6 — окно для наблюдения экрана, 7 — дополнительное окно или последовательном напылении молекул фуллерена и для наблюдения за расположением деталей проектора.

активирующего вещества. При этом в процессе напыления принципиально можно добиться наперед заданного распределения активирующей добавки по толще покрытия. Нами проводилось исследование возможно- позволяло, с одной стороны, производить их обезгажистей активировки фуллереновых покрытий добавленивание вдали от катода, а с другой стороны, обеспеем в покрытие атомов калия. Первые исследования чивало возможность выбора оптимального расстояния активировки калием фуллереновых покрытий описаны ( 1-2cm) между напылителем и катодом во время в [2]. Исследования были продолжены и в настоящей нанесения покрытия.

работе описаны последние полученные результаты. БыСкорость нанесения покрытий регулировалась в шило исследовано формирование покрытий, получаемых роких пределах при изменении температуры напылинапылением молекул фуллерена и атомов калия на телей. Эмиттер можно было прогревать до темперавольфрамовое острие, а также на острие со сформиротуры приблизительно 2800 K пропусканием тока через ванным на его поверхности так называемым ребристым вольфрамовую дужку, к которой он крепился. Ребристый кристаллом (RC) [2–5], т. е. на вольфрамовое острие со кристалл на поверхности вольфрамового острия форслоем карбида вольфрама на поверхности [8].

мировался в результате разложения при температуре T 1000 K предварительно напыленного на его поверхность фуллеренового покрытия.

Методика измерений и аппаратура Расстояние между эмиттером и экраном менялось в разных экспериментах приблизительно от 3 до 5 cm.

Измерения выполнены в многофункциональном вакуИмеющиеся системы питания обеспечивали подачу умном приборе с автоэмиссионным проектором. Увелина эмиттер напряжений отрицательной полярности чение проектора достигало 106 раз. Наблюдение картин до 30 kV относительно заземленных экрана и металлизасветки экрана потоком электронов с катода позволяло ческого корпуса прибора.

определять распределение плотности тока эмиссии с его В качестве характеристики эмиссионных возможноповерхности и таким образом выявлять неоднородности этих потоков с характерными размерами у поверхно- стей катода использовались напряжения UI, необходимые для получения фиксированного тока I. Чтобы сти 2 nm. Экспериментальный прибор подвергался непрерывной откачке и давление в нем не превыша- свести к минимуму воздействие сильных полей на структуру покрытия во время контроля эмиссионных свойств ло 10-9 Torr.

катода, значения UI измерялись при токах, существенно Сечение экспериментального прибора схематически меньших, чем предельные, для данного катода. Обычно показано на рис. 1. Он включает острийный катод — эмиттер из вольфрама, закрепленный на подвижной под- такие измерения проводились при токе I = 0.002 µA, веске, покрытый люминофором экран, напылители фул- т. е. регистрировались значения U0.002. Для контроля лереновых молекул и калия, окно для наблюдения экра- скорости напыления калия и фуллереновых молекул, на. Исследованы характеристики острийных эмиттеров а также толщины наносимых покрытий измерялись с характерными радиусами вершины 0.3 Rt 1 µm. „характеристики напыления“ (зависимости величины UI Эмиттер может быть поочередно повернут к каждому от времени напыления td) [3,5]. Типичные зависимости из напылителей и к экрану. Перемещение напылителей U0.002(td), измеренные при нанесении калиевых и фуллеЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. 112 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.А. Веселов калия толщиной около 5 монослоев, а затем фуллереновое покрытие толщиной 10 монослоев. Для таких не обработанных полем покрытий перед последующим напылением калия напряжения U0.002 имели величину больше 4 kV. Наименьшие напряжения U0.002 достигались при нанесении калия на оптимизированную распределенную фуллереновую структуру, которая создавалась на эмиттере со сформированным на вершине ребристым кристаллом (рис. 3, b). Предсказуемость результатов при быстром нанесении на эмиттер небольших по толщине слоев калия связана, с нашей точки зрения, с тем, что в такой ситуации рельеф поверхности, а следовательно, и усиление электрического поля задаются исходной структурой фуллеренового покрытия. Напыление тонкого слоя калия, видимо, мало меняя эту структуру, понижает работу выхода поверхности.

Как показали проведенные измерения, свойства активированной калием поверхности заметно меняются во времени при ее выдержке при комнатной температуре в отсутствие электрического поля. На изменение во времени величины U0.002 влияют характеристики поверхности исходного покрытия полевого эмиттера и количество нанесенного на нее калия. На рис. 4 показаны типичные зависимости напряжения U0.002 от продолжительности такой выдержки t для катода C2 с сильно Рис. 2. Кривые напыления U0.002(td) калия (a) и фуллереновых отличающимися характеристиками покрытия. Кривая молекул (b) на вольфрамовое острие C1 с радиусом вершины Rt 0.3 µm.

реновых покрытий на вольфрамовое острие C1 с радиусом вершины Rt 0.3 µm, показаны соответственно на рис. 2, a и b. Здесь же указаны моменты времени, когда достигается монослойное покрытие.

Напыление покрытий осуществлялось в отсутствие электрического поля. При этом создаются практически однородные покрытия и измерения при напряжении U0.002 не приводят к их перестройке. Для формирования усиливающих поле микроструктур на поверхности фуллереновых покрытий использовались разработанные ранее методы термической и полевой их обработки [2–7].

Результаты измерений и их обсуждение Ожидаемый результат был получен при активировке полевых эмиттеров напылением малых количеств калия. На рис. 3 показаны типичные кривые напыления U0.002(td). Нанесение 2-6 монослоев калия позволяло уменьшить напряжение U0.002 приблизительно до 3-4 раза. Степень такой активировки зависела от состава и структуры предварительно созданного покрытия Рис. 3. Кривые напыления калия на поверхность разных острийного эмиттера. Это хорошо видно из сравнения эмиттирующих систем. a — катод C2 с радиусом вершины зависимостей U0.002(td), показанных на рис. 3, a и b.

Rt 0.7 µm и исходным покрытием W-K-C60. b —катод CХарактеристика рис. 3, a получена при нанесении калия с радиусом вершины Rt 0.3 µm и с распределенной фуллена вольфрамовые острие C2, поверх которого пред- реновой структурой микровыступов на поверхности исходного варительно последовательно напылялись сначала слой покрытия W-RC-C60.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Активировка калием полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями зраения важным представляется то обстоятельство, что установившееся при длительной выдержке напряжение остается меньше таковой величины, характерной для эмиттера до нанесения калия. Для некоторых типов созданных эмиттеров это уменьшение достигало 50%.

Заключение Отметим важнейшие результаты работы. Выявлена возможность снижения в 3-4 раза характерных напряжений UI, необходимых для получения фиксированных токов, при быстром нанесении на поверхность покрытия атомов калия в количествах, превышающих монослой.

Обнаружена и исследована дезактивировка эмиттеров, Рис. 4. Изменение во времени характерного напряжения U0.происходящая при комнатной температуре в отсутствие для катода C2 с радиусом вершины Rt 0.7 µm: с покрытием электрического поля. Указаны возможные причины дезW-K-C60-K (1) и с покрытием W-RC-C60-K (2).

активировки, связанные с перераспределением калия в покрытии острия и/или соединением калия с молекулами фуллерена.

Установлено, что нанесение калия на фуллереновое (рис. 4) измерена после напыления 10 монослоев калия покрытие позволяет заметно (до 50%) снизить значена предварительно созданное многослойное покрытие ния UI для исследованных полевых эмиттеров, даже W-K-C60 с 10 монослоями фуллереновых молекул на после длительной (порядка 5 суток) дезактивировки.

поверхности. Кривая 2 получена после напыления монослоев калия на фуллереновое покрытие толщиДанная работа выполнялась при финансовой подной 4 монослоя, нанесенное поверх сформированного держке РФФИ (грант № 02-02-16211), за что авторы на острие ребристого кристалла.

благодарны этому фонду.

Зависимости U0.002(t) для исследованных катодов качественно подобны. Характерна быстрая начальная дезСписок литературы активировка эмиттера в течение первых часов, сопровождающаяся увеличением напряжения U0.002. Затем [1] Бобков А.Ф., Давыдов Е.В., Зайцев С.В., Карпов А.В., Козопосле выдержки в течение приблизительно 1-2 судаев М.А., Николаева И.Н., Попов М.О., Скороходов Е.Н., ток характеристика U0.002(t) выходит в насыщение и Суворов А.Л., Чеблуков Ю.Н. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 6.

дальнейшая дезактивировка практически прекращается.

С. 95–103.

Быстрый начальный рост величины U0.002 можно было [2] Sominski G.G., Tumareva T.A., Polyakov A.S., Zabello K.K. // бы связать с осаждением газа на поверхность эмиттера. Proc. Intern. Univ. Conf. „Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequences“ St. Petersburg: State Technical Однако прогрев эмиттера при температурах 350-450 K, University, 1999. P. 327–330.

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.