WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 10;11;12 Приравновесные термополевые микровыступы как эффективные полевые точечные источники электронов и ионов © О.Л. Голубев, В.Н. Шредник Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: O.Golubev@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 3 февраля 2005 г.) С помощью полевых эмиссионных методов изучались условия образования, кристаллографическая локализация и эмиссионные свойства приравновесных термополевых микровыступов ряда тугоплавких металлов. Единичные приравновесные микровыступы относительно легко получаются на W эмиттере обычной ориентации 110, однако с течением времени в процессе ионной эмиссии меняется их число на поверхности, могут меняться также и их эмиссионные параметры; при эмиссии электронов параметры и число микровыступов не меняются. Большей стабильностью при эмиссии ионов обладают трехгранные углы перестроенного острия, образующиеся в областях {111}. Единственный и стабильно эмиттирующий ионы трехгранный угол, расположенный на геометрической оси эмиттера, легко получить, используя W эмиттер с ориентацией 111. На Ta эмиттере обычной ориентации 110 можно получить два стабильных приравновесных микровыступа, симметрично расположенных относительно оси эмиттера в областях {111}, такие микровыступы практически не меняют эмиссионные параметры в течение длительного отбора ионного тока.

Введение и F. Вначале наблюдается стадия перестройки острия — превращения исходной сглаженной формы в ребристый Для модификации поверхности, для нанесения на нее многогранник, затем, при более высоких T и F, вырасрисунков в микрометровом и нанометровом масштабах тают микровыступы; и наконец, при наибольших велинеобходимы управляемые тонкие пучки заряженных чинах T и F, главным образом на плотноупакованных частиц. Для этих целей удобно использовать эмиссию гранях, вырастают большие наросты – макронаросты, ионов при высокотемпературном полевом испарении [1]. соизмеримые с размерами граней, при этом вершины и Обычно источниками ионов в этом случае оказывают- ребра этих макронаростов покрыты микровыступами [5].

ся термополевые микровыступы, такие микровыступы В случае наиболее тонкого письма требуются весьма вырастают на поверхности полевого эмиттера при до- слабые (но сконцентрированные) токи, так чтобы толщистаточно высоких температурах T и напряженностях на наносимой линии не превышала один или несколько электрического поля F и при определенных услови- нанометров. В электронном режиме получение таких ях могут длительно эмиттировать [1,2]. При этом то- токов не вызывает затруднений, поскольку ток регулируки i ионов собственного материала острия-эмиттера, ется приложенным напряжением U и легко может быть на котором растут микровыступы, могут достигать доведен до самых малых значений. Что же касается ионi 10-14-10-12 с одного микровыступа [3,4], которых ных токов, то стационарные пучки ионов эмиттируются на поверхности острия может быть больше сотни, а при обычно вершинами микровыступов, существующих за изменении полярности приложенного напряжения U и счет динамического равновесия между диффузионным при комнатной T острия эти же микровыступы могут ис- притоком частиц на вершину микровыступа и уходяпользоваться и как источники автоэлектронной эмиссии щим потоком полевого испарения с вершины этого с гораздо более сильными i 106 и более с одного выступа. Такие микровыступы относительно стабильны, выступа. Размеры таких микровыступов обычно поряд- однако эмиссия при этом подвержена значительным ка 10 nm, а вершины их, которые собственно и эмитти- флюктуациям и отбираемые токи (i = 105-107 ионов руют, еще меньше, вплоть до единственного атома на в секунду) для многих задач нанотехнологии слишком вершине выступа, поэтому такие источники заряженных велики. Однако регулирование величины тока изменечастиц квалифицируются как точечные [2]. В некоторых нием приложенного U в этом случае проблематично, случаях ионные пучки этих источников удобно фокуси- поскольку снижение U приводит просто к затуплению ровать, а при применении в сканирующем туннельном микровыступа за счет сил поверхностного натяжения микроскопе они оказываются пишущими инструментами и прекращению эмиссии [5]. Новая и весьма непростая в микрометровом и нанометровом масштабах, не тре- задача состоит в том, чтобы построить такой точечный бующими фокусировки. Микровыступы являются одной источник ионов, который мог бы стабильно испускать из стадий термополевого формоизменения острийного слабые токи (от 1 до 100 частиц в 1 секунду) и величина эмиттера при одновременном воздействии высоких T тока могла бы регулироваться приложенным U.

112 О.Л. Голубев, В.Н. Шредник Термополевые микровыступы вырастают на поверхно- Результаты эксперимента сти эмиттера в том случае, когда пондеромоторное дави их обсуждение ление сил электростатического поля PF = F2/8 превышает лапласово давление капиллярных сил P = 2/r При равенстве действующих давлений P = PF ( — коэффициент поверхностного натяжения материанетрудно вырастить стабильный, существующий долго в ла эмиттера, r — радиус кривизны эмиттера).

Поэтому нагретом состоянии равновесный микровыступ [5]. Если термополевые микровыступы можно условно разделить P задано геометрией острия и свойствами материала, на три группы: стационарные, равновесные и приравното величину PF легко регулировать величиной приловесные. Стационарные микровыступы, для которых PF женного напряжения U. Равновесные термополевые мизаметно больше P, существуют за счет динамического кровыступы выращивались и исследовались (например, равновесия между диффузионным притоком атомов на при определении величины для W [8]). Их удобно исвершину микровыступа и уходящим потоком полевопользовать как электронные эмиттеры при охлаждении го испарения ионов с вершины выступа. Равновесные острия и смене полярности приложенного U. Разумеетмикровыступы, для которых PF = P, — весьма стася, они при этом уже не будут строго равновесными, но бильные образования, однако они вообще не должны как эмиттеры они хороши тем, что перегрузка током не испарять ионы. Наконец, приравновесные микровыступриведет к катастрофическому взрыву эмиттера. Дело в пы — это такие микровыступы, для которых PF > P, том, что для них всегда P > PF и малейший нагрев но величина этого превышения крайне незначительна, эмиттера вызовет затупление таких микровыступов и т. е. когда полевой приток атомов на вершину несколько снижение тока эмиссии, здесь работает отрицательная превышает обратный поток, но микровыступ при этом обратная связь. Поэтому с таких микровыступов можно не заостряется. Подобные микровыступы и должны отбирать электронные токи предельно высокой плотнопозволить получать ионные токи от 1 до 102-103 частиц сти, вплоть до величин 109-1010 A/cm2 [9].

в 1 секунду с возможностью регулирования величины Но что касается ионных токов, то равновесные митока приложенным U.

кровыступы ионов не испускают, испускание ионов порождает третий поток частиц, испаряющихся с поверхности помимо двух — полевого притока частиц Техника эксперимента к вершине острия и диффузионного потока частиц от вершины острия. Этот третий поток уменьшает число Работа проводилась с применением классических мечастиц на вершине и складывается с потоком, опретодов полевой эмиссионной микроскопии. В качестве деляемым P, затупляющим острие. Равновесие будет объектов исследования использовались острия-эмиттеры нарушено, микровыступ начнет затупляться, ионный ток из W и Ta обычной ориентации 110, а также выребудет уменьшаться, но при этом будет уменьшаться и занные из монокристалла W эмиттеры с ориентацией затупляющий поток.

111. Эксперименты с приравновесными микровыступаОбозначим потоки частиц следующим образом: jF — ми необходимо проводить в безупречном сверхвысоком поток заострения, j — поток затупления и je — вакууме, поскольку адсорбированная примесь даже в поток испарения. Приравновесный микровыступ отвесамом минимальном количестве может в присутствии чает ситуации, когда jF = j + je, т. е. когда полевой сильного электрического поля существенно повлиять приток на вершину несколько превышает обратный на параметры ионного полевого испарения (эффект поток затупления, но острие при этом не заостряется, так называемого „полевого травления“ [6]). Для таких поскольку весь избыточный поток на вершину уходит экспериментов весьма удобны полевые электронные в виде потока испарения [10]. Регулируя за счет приломикроскопы отпаянного типа, в которых легко можно получить вакуум порядка 10-12 Torr по адсорбирующим- женного U величину F (а также устанавливая различные T эмиттера), нетрудно добиться не только различных ся газам.

При термополевом воздействии необходимо разли- равновесных состояний, когда jF = j, но и различных чать начальное поле обработки Ftr, которое всегда опре- приравновесных состояний с je = jF - j от потока единичных ионов до более высоких значений.

деляется относительно исходной формы отжига острия, и конечное поле Ffin, которое получается у поверхно- В отличие от стационарных, динамически уравновешенных только по потокам je и jF микровыступов сти эмиттера после изменения его формы. Когда при ( j в этих случаях много меньше первых двух потодостижении конечного состояния наблюдается полевое испарение, то величина Ffin определяется как испаря- ков, тем меньше, чем дальше отстоит рабочая точка ющее поле Fev. Термополевая обработка эмиттера при от критической точки срыва эмиссии) приравновесный определенных T и Ftr проводилась всегда в течение микровыступ существенно стабильнее.

При флуктуациях стандартного времени t = 1 min. Величины F и работы F, je и r он склонен возвращаться в свою прежнюю выхода определялись обычным способом из наклонов рабочую точку (точно так же, как равновесный возхарактеристик Фаулера–Нордгейма. При определении F вращается к исходной форме при флюктуации r [5]).

величина полагалась равной 4.5 eV для W ориентации Самым же главным свойством приравновесного микро 110, 4.1 eV для Ta и 4.4 eV для W, ориентированного выступа является возможность его „настройки“, котогранью {111} [7]. рая позволяет управляемым образом отбирать весьма Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Приравновесные термополевые микровыступы как эффективные полевые точечные источники... малые токи, удобные для письма в нанометровом масштабе. Флюктуации тока такого микровыступа меньше, чем флюктуации стационарного микровыступа, когда je = jF. Кроме того, стационарный микровыступ может в процессе эмиссии ионов „ползти“ вдоль линии кривизны K 1/r на кривой P = f (K) [5] в ту или иную сторону, его рабочая точка менее стабильна, не говоря уже об опасности срыва. Приравновесный микровыступ в широких пределах изменения потока испарения je и соответственно радиуса кривизны r (т. е. K) сохраняет свои свойства как таковой (приравновесный). Однако с ростом U и он может достигнуть критической точки, за которой всегда PF > P, и он стремительно перейдет в состояние стационарного микровыступа. Существенным резервом регулирования здесь является возможность изменения температуры.

Для того чтобы выяснить, являются ли полученные микровыступы равновесными (а также и приравновесными) или же стационарными ( je = jF), можно использовать простой тест. При небольшом увеличении U до U + U кривизна K вершины микровыступа вырастет, если он равновесный или приравновесный, или же снизится, если выступ стационарный. При уменьшеРис. 1. Полевые электронные изображения поверхности нии величины U до U - U изменения соответственно вольфрамового эмиттера с ориентацией 110 в процессе будут носить противоположный характер. Отличие же термополевого воздействия при T = 1420 K и различных Ftr.

между приравновесными и равновесными микровыстуa — исходная форма отжига, b — после прогрева эмиттера пами состоит в величине изменения K, значительной при Ftr = 0.52 V/ и последующем снижении Ftr до 0.44 V, для равновесных и незначительной для приравновесных c — после дальнейшего снижения Ftr до 0.42 V/, d —после микровыступов. Об изменениях K судят по изменению выдержки эмиттера при Ftr = 0.42 V/ и T = 1420 K в течение 20 min, e — после прогрева при Ftr = 0.37 V/, f —после эмиссионного тока при фиксированном U (чем больше выдержки эмиттера при T = 1420 K и Ftr = 0.37 V/ в течеток, тем выше K) или же по величине полевого мноние 20 min.

жителя = 1/kr, где k — коэффициент, зависящий от формы острия (чем больше, тем выше K).

Рис. 1 показывает полевые электронные изображения поверхности острийного W монокристалла в процессе Любой из этих микровыступов может служить точечтермополевого воздействия. Рис. 1, a показывает исход- ным источником электронов и ионов, однако наиболее ную классическую форму отжига эмиттера, получающу- интересной является ситуация, когда на поверхности юся после прогрева при T 2500 K, для нее полевой эмиттера остается единственный микровыступ. Для этомножитель = 5912 1/cm, радиус r = 0.6 µmи величи- го необходимо далее понижать величину Ftr, при этом на U10 = 4690 V (U10 — величина напряжения, необходи- микровыступы снова станут стационарными и будут мая для получения выбранной нами величины эмиссион- заостряться, последовательно пересекать прямую P(K) ного тока i = 10 nA, т. е. 10-8 ). После воздействия при на графике PF, P (K) [5], после этого сильно затуплятьT = 1420 K и Utr = 8.5kV, Ftr = 0.51 V/ в окрестности ся и исчезать на поверхности эмиттера. Таким способом граней {001} образовалось несколько микровыступов, можно оставить на поверхности эмиттера только один для которых U10 = 2021 V и = 19 473 1/cm. Эти ста- выступ, подобная ситуация показана на рис. 1, c после ционарные микровыступы при данной T и испаряют понижения Utr до 8.25 kV. Данный выступ обеспечиваионы W, а величина FeV составляет Fev = 1.66 V/. Для ет U10 = 2108 V и = 19 100 1/cm. Такой микровыступ того чтобы получить приравновесные микровыступы, является стабильным точечным источником электронов, необходимо последовательно понижать величину Utr при по крайней мере в течение 1 часа такой эмиттер термополевом воздействии, следя при этом за величина- обеспечивал ток i = 1000 nA, при этом величина необми U10 и. Вначале величина растет, а U10 понижается, ходимого для этого U изменилась от 2664 до 2687 V.

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.