WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 2 11;12 Формирование микрообразований с упорядоченной структурой эмиссии в фуллереновых покрытиях полевых эмиттеров © Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, 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.) При исследовании фуллереновых покрытий острийных полевых эмиттеров в автоэмиссионном проекторе было обнаружено формирование специфическиx упорядоченных структур на изображении эмиттера в форме дуплетов, квадруплетов, колец дисков и т. п. Были определены закономерности возникновения упорядоченных картин указанного типа и их связь с эмиссией микрообразований из молекул C60. Проанализированы возможные объяснения формирования упорядоченных эмиссионных изображений на основе существующих литературных данных и полученных экспериментальных результатов. Предложено уточнение модели автоэмиссии с поверхности микрообразований, учитывающее внутреннее отражение электронных волн от их границ.

Введение В волноводной модели [3,6] вид тех же картин объяснялся с учетом распространения электронных волн (волн деВ пятидесятые–шестидесятые годы рядом исследова- Бройля) по своеобразному волноводу, сформированному телей при изучении методом автоэмиссионного проек- комплексом молекул.

тора острийных полевых эмиттеров было обнаружено Авторами настоящей работы при изучении методом полевого электронного проектора покрытий вольфранеобычное явление. При нанесении на эмиттер крупных мовых острийных эмиттеров молекулами фуллерена органических молекул (например, фталоцианина меди и C60 [7,8] было обнаружено, что и в этом случае удается антрохинона), кластеров из углерода и некоторых других наблюдать на экране проектора эмиссионные изображематериалов на автоэмиссионных картинах становились ния с упорядоченной структурой, подобные описанным различимыми упорядоченныe структуры в виде двух- и четырехлепестковых фигур (”дуплетов” и ”квадрупле- в [1–6]. Полученные результаты позволили определить закономерности возникновения и характеристики тов”), колец, дисков и т. п. (см., например, [1–6]). Наикомплексов из молекул C60, ответственных за появлеболее подробно было изучено формирование указанных ние упорядоченных эмиссионных изображений. На этой упорядоченных эмиссионных образований, названных основе уточнена модель формирования упорядоченных Мюллером ”молекулярными картинами”, для эмиттеров картин автоэмиссии с их поверхности. Ниже излагаются с покрытиями из органических молекул. В частности, результаты проведенного исследования.

были определены характерные размеры комплексов из молекул фталоцианина меди, ответственных за молекулярные изображения [2,5,6]. По мнению авторов [2], Методика измерений и аппаратура для формирования таких картин достаточно 13 молекул.

По оценкам Савченко В.П. [6], при поперечном размере Подробное описание конструкции автоэмиссионного 16-22 комплексы фталоцианина меди имеют высоту проектора, а также методов создания и исследования 70, ориентированы длинной своей стороной вдоль фуллереновых покрытий на поверхности полевого эмитсиловых линий электрического поля и включают сущетера приведено в [7,8]. Поэтому здесь мы ограничимся ственно большее количество молекул — 50. Для друрассмотрением только тех особенностей методики эксгих материалов, в том числе для углерода, объективных перимента и экспериментальной аппаратуры, на которые данных накоплено мало. Есть указание, что углеродные необходимо обратить внимание для лучшего понимания кластеры, ответственные за формирование описанных результатов данной работы.

выше изображений, возникают непосредственно в наУвеличенное до 106 раз эмиссионное изображение пылителе, а не на поверхности полевого эмиттера [6].

поверхности острийного эмиттера создавалось на экране Это правдоподобно, но не несет информации о струкпроектора при подаче напряжения U между экраном туре углеродных кластеров. Отсутствует, к сожалению, и катодом. Исследования выполнены с вольфрамовыми информация и об их размерах.

острийными эмиттерами, имеющими диаметр вершины Для объяснения природы молекулярных картин были ориентировочно от 0.3 до 2 µm. На вершине острия развиты две теории. В одной из них (одномолекуляр- формировались монокристалл вольфрама или ребристый ной) [2] их форма связывалась со строением и элек- кристалл со слоем карбида вольфрама на поверхнотронной структурой адсорбированных больших молекул. сти [9]. Покрытия создавались напылением на острие 112 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.С. Поляков Рис. 1. Типичные упорядоченные эмиссионные изображения микровыступов на поверхности фуллереновых покрытий. a — дуплет;

b — квадруплет; c — полуокружности, разделенные центральной светлой линией; d — крест; e —полое кольцо.

молекул C60 из ячейки Кнудсена. Приготовление ребри- Основные эксперименты выполнены при давленистого кристалла на вершине вольфрамового острия осу- ях остаточного газа в экспериментальном приборе ществлялось термическим разложением предварительно 10-10-10-9 Torr.

нанесенных фуллереновых покрытий при температурах T 950-1000 K. Скорость нанесения фуллеренового Экспериментальные результаты покрытия и его толщина определялись по методике, описанной в [8], на основе измерения ”кривых напыле- и их обсуждение ния” — зависимостей напряжения UI, необходимого для получения фиксированного тока I с острия, от времени t Упорядоченные структуры в эмиссионном изобранапыления покрытия. Как правило, напыление покрытий жении острия, подобные описанным в [1–6], удавапроизводилось в отсутствие электрического поля у като- лось наблюдать при толщинах фуллеренового покрытия да. Для выявления влияния электрических полей далее > 0.1-0.2 монослоя (mL). Увеличенные изображерассматривалось изменение структуры и эмиссионных ния типичных упорядоченных образований приведены на характеристик фуллереновых покрытий при отборе с ка- рис. 1. На рис. 2 показан общий вид эмиссионных изобратода разных фиксированных токов. жений, наблюдавшихся при разных толщинах покрытия Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Формирование микрообразований с упорядоченной структурой эмиссии в фуллереновых покрытиях... Рис. 2. Эмиссионные изображения чистого ребристого кристалла (a) и ребристого кристалла с фуллереновыми покрытиями, имеющими разную толщину, mL: b —0.3, c —0.5, d —3.

на поверхности ребристого кристалла. На общем виде микрообразований говорят данные, полученные при исэмиссионного изображения полевого эмиттера труднее следовании фуллереновых покрытий ребристого криразличить особенности образований такого типа, однако сталла. В этом случае трудно объяснить иначе тот факт, при умеренных толщинах покрытия (меньше 2-4mL) что при толщинах покрытия приблизительно до двух эти изображения несут информацию об их расположении монослоев все основные микрообразования на поверхноотносительно характерных деталей подложки. сти эмиттера группируются вдоль ребер, усиливающих электрическое поле (рис. 2).

Было замечено, что поперечные размеры и яркость Действием сильных электрических полей можно объпятен с упорядоченной структурой на экране проектора яснить и отмеченные в эксперименте случаи скачкомогут меняться в процессе наблюдения. Уменьшение их яркости и размеров можно связать, например, с умень- образного возникновения и пропадания упорядоченных шением под действием ионной бомбардировки количе- структур. Первое можно связать с группировкой молекул фуллерена у малой неоднородности поверхности, усилиства молекул фуллерена, входящих в микроструктуру на поверхности острия, которая дает данное изображе- вающей поле, второе — с полевым испарением молекул ние. Обратный процесс увеличения яркости и разме- или разрушением микрообразований в результате, например, взрывной эмиссии. В некоторых случаях удавалось ров, очевидно, обусловлен присоединением к структуре наблюдать быструю перестройку существующей струкдополнительных молекул C60. Увеличение размеров туры пятен на экране проектора при изменении напряжемикрообразований на поверхности эмиттера может быть ния U. Например, неоднократно происходили переходы обусловлено действием электрического поля. Механизм из двухлепестковой в четырехлепестковую структуру и этого процесса предположительно таков. Существующие обратно.

у поверхности эмиттера неоднородные электрические поля поляризуют молекулы C60 и перемещают их в сто- Для определения механизма формирования пятен рону расположенных поблизости неоднородностей по- с упорядоченной структурой на экране проектора нам верхности, усиливающих поле, т. е. в направлении гра- представлялось необходимым оценить размеры ответдиента поля. В результате происходит дополнительное ственных за их появление микрообразований на поусилие поля у микроструктуры и повышается яркость верхности острия. Это потребовало измерения вольтее изображения на экране. В пользу сильного влияния амперных характеристик всего острийного эмиттера, а неоднородных полей на формирование упорядоченных также с отдельных хорошо выделенных микрообразо8 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 114 Т.А. Тумарева, Г.Г. Соминский, А.С. Поляков мации о твердотельных объектах из молекул фуллерена (см., например, [12]), свидетельствуют, что в наиболее крупных микрообразованиях такого типа содержится не более нескольких десятков молекул C60. Проведенные расчеты позволили установить, что отмеченное выше изменение структуры эмиссионных пятен, происходящее в электрическом поле, сопровождается заметными изменениями размеров исходных микрообразований на поверхности покрытия. Так, микрообразование, формирующее изображение в виде дуплета, имеет поперечное сечение D 30 и высоту h 15. При перестройке в квадруплет оно практически не меняло своей высоты, но уменьшалось в поперечном сечении приблизительно до 15. Скачкообразное изменение структуры картин микрообразований с изменением их размеров говорит, видимо, о том, что вид изображения определяется не столько типом молекул, сколько размерами микрообразования, т. е. имеет место своеобразный размерный эфРис. 3. Характеристика Фаулера–Нордгейма микрообразовафект. Казалось бы, это свидетельствует в пользу волния на фуллереновом покрытии, дающего эмиссионное изоноводной модели формирования упорядоченных картин бражение в форме квадруплета (здесь ток I и напряжение U эмиссии. Но наши данные дают аргументы и против выражена соответственно в A и V ).

существующей волноводной модели [3,6]. Во всяком случае в наших экспериментах вряд ли можно считать волноводом микроструктуру, высота которой не превышает (или даже меньше) ее поперечного размера.

ваний. На основе полученных данных производилось Да и в работах [3,6], где высота микрообразований из построение вольт-амперных характеристик в координафталоцианина меди, с которых регистрировалась автотах Фаулера–Нордгейма. Полученные данные использоэмиссия, заметно превосходит их сечение, вряд ли можно вались для определения радиуса вершины острийного отождествлять эмиттирующую микроструктуру с волэмиттера, поперечного сечения микрообразований D и новодом, беспрепятственно (без отражения) канализиих высоты h. На рис. 3 показана типичная характерующим распространение электронных волн де-Бройля.

ристика Фаулера–Нордгейма микрообразования в виде Действительно, вероятность выхода электронов в вакуум квадруплета. Она получена на основе измерения токов в типичных для автоэмиттеров условиях существенно непосредственно с указанного микрообразования в усломеньше единицы, а это означает, что при построении виях, когда токи со всей остальной поверхности эмиттера модели явления необходимо учитывать отражения элекпренебрежимо малы.

тронных волн внутрь твердотельной системы. Поэтому Поперечный размер микрообразований рассчитывался лучше, как нам кажется, подходит для описания автопо методу Оострома [10], а их высота — по методике, эмиссии с поверхности упорядоченных микрообразовапредложенной Гомером [11]. Оказалось, что харакний резонаторная модель. По смыслу она весьма близка терный поперечный размер образований, формирующих к стандартной квантово-механической модели, описывадуплеты и квадруплеты, колеблется в пределах 15–30.

ющей допустимые энергетические состояния электронов Максимальная высота такого типа образований не прев твердотельных микроструктурах.

восходила их поперечного сечения, даже в условиях, Микрообразование, дающее упорядоченное эмиссионкогда эти образования выделялись в виде яркого пятна ное изображение, можно, видимо, рассматривать как на экране проектора и ток с их поверхности существенно своеобразную трехмерную потенциальную яму (резонапревосходил токи с других участков острия. Очевидно тор) с отражающими электроны стенками. При рассмопоэтому, что высота существенно менее ярких упорядотрении автоэмиссии необходимо учитывать понижение ченных микрообразований, различимых на фоне картины под действием электрического поля потенциального баподложки (например, на фоне картины монокристалла рьера у внешней по отношению к подложке границы мивольфрама), может быть только меньше.

крообразования. Очевидно, что в автоэмиссии участвуют Полученные данные о характеристиках исследованных в основном электроны из зоны верхних заполненных фуллереновых покрытий дают, как нам кажется, основа- уровней энергетической структуры. Принято считать ния для уточнения существующих моделей формирова- (см., например, [3]), что автоэмиссия микрообразований ния упорядоченных эмиссионных картин на экране про- из больших органических молекул определяется обобектора. Оценки, проведенные с учетом полученных дан- щенными -электронами. Для объяснения полученных ных о размерах микрообразований, дающих упорядочен- нами данных можно предположить, что и в чисто угленые изображения, и существующeй в литературе инфор- родных фуллереновых микрообразованиях существуют Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Формирование микрообразований с упорядоченной структурой эмиссии в фуллереновых покрытиях... такие обобщенные электроны. Эти электроны, двигаясь [8] Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Ефремов А.А., Поляков А.С. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 2. С. 105–110.

внутри микрообразований, ”бомбардируют” в том чи[9] Логинов М.В., Шредник В.Н. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24.

сле и границу с пониженным потенциальным барьером.

Вып. 11. С. 45–48.

Часть из них туннелирует в вакуум. Уход электронов [10] Oostrom A.G.J. // Philips Res. Rep. Supplement. 1966. N 1.

из микрообразования должен восполняться приходом P. 1.

электронов из подложки через противоположную его [11] Gomer R. // J. Chem. Phys. 1957. Vol. 28. N 3. P. 457–464.

границу.

[12] Елецкий А.В. // УФН. 2000. Т. 170. № 2. C. 113–142.

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.