WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 6 07;11;12 Влияние лазерного облучения на морфологию и эмиссионные свойства наноуглеродных пленок © А.Н. Образцов,1 А.П. Волков,1 Г.М. Михеев,2 А.Г. Шаховской,3 В.В. Роддатис,1 А.В. Гаршев1 1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, Россия 2 Институт прикладной механики УрО РАН, 426067 Ижевск, Россия 3 Университет Калифорнии, Дэвис СА 95616, США e-mail: gmmikheev@udmnet.ru (Поступило в Редакцию 13 октября 2004 г.) Проведено сравнительное исследование влияния мощного импульсного лазерного излучения на морфологию и полевую эмиссию электронов для пленок, состоящих из наноразмерных кристаллитов графита. Пленки получались методом газофазного осаждения из активированной разрядом постоянного тока смеси водорода и метана. Под воздействием импульсного лазерного излучения происходило частичное испарение материала пленок. Определены пороговые плотности мощности лазерного излучения, при которых происходят изменения эмиссионных характеристик и модификация геометрии поверхности катодов. Показано отсутствие прямой корреляции морфологических и эмиссионных характеристик.

В последнее время значительное внимание исследо- постоянного тока. В качестве подложек использовавателей привлекает проблема использования углерод- лись пластины кремния размером 25 25 mm. Газовая ных нанотрубок (УНТ) в качестве холодных катодов. смесь состояла из водорода и метана в соотношении Холодная (или полевая) эмиссия является следствием около 10 : 1 [4,6]. Изготовленные углеродные пленки квантового туннелирования электронов из материала представляют собой пористый материал, состоящий из катода в вакуум через поверхностный потенциальный кристаллитов графита, каждый из которых состоит в барьер. При этом определяющее значение для эффектив- свою очередь из нескольких (примерно от 5 до 50) ности такой эмиссии имеют величины напряженности параллельных атомных слоев, что соответствует толэлектрического поля на поверхности катода и работы щине от 2 до 20 nm. Вывод о графитоподобной атомной выхода материала катода [1,2]. Многочисленные экспе- структуре кристаллитов основан на результатах исслериментальные результаты свидетельствуют о том, что дований, проводившихся с помощью различных методов, катоды, изготовленные из УНТ, позволяют получить вы- включая комбинационное рассеяние света, электронную сокие плотности эмиссионных токов при сравнительно микроскопию высокого разрешения, электронную динебольших напряжениях, прикладываемых к катоду [2]. фракцию и др. [4–6]. С помощью этих методов было Данное свойство УНТ катодов является чрезвычай- также установлено, что наноразмерные кристаллиты но привлекательным для их применения в различных графита имеют преимущественную ориентацию составэлектровакуумных приборах [3]. В наших публикациях ляющих их атомных слоев вдоль нормали к поверхности было показано, что эффективная эмиссия электронов подложки. При этом кристаллиты в других направлеможет быть получена также из наноразмерных кри- ниях (в длину и в высоту) имеют характерный размер сталлитов графита (НКГ) [4]. Подобие в поведении и около 1 µm. На рис. 1, a показано типичное изображение близость основных параметров эмиттеров из УНТ и НКГ такой НКГ пленки, полученное с помощью растрового позволяет сделать предположение о единой природе электронного микроскопа (РЭМ) LEO 1550.

физического механизма, определяющего эмиссионные Образцы НКГ пленок облучались линейно полярихарактеристики наноуглеродных (nC) материалов [5].

зованным импульсным излучением YAG : Nd3+ лазера Однако данное предположение нуждается в дальнейшем ( = 1064 nm). Максимальная энергия лазерного имэкспериментальном и теоретическом обосновании.

пульса составляла 50 mJ при длительности импульсов В данной работе представлено экспериментальное ис- около 22 ns. Лазерный пучок направлялся по нормали к следование, направленное на выявление возможной кор- поверхности пленки. В экспериментах по определению реляции между эффективностью электронной эмиссии пороговых значений мощности лазерного излучения, и геометрическими характеристиками морфологических соответствующих различным изменениям в эффективособенностей поверхности НКГ катодов.

ности электронной эмиссии и морфологии пленок, поИсследования проводились на образцах НКГ пленок, верхность образца размечалась на квадратные облаполученных при осаждении углерода на проводящие сти размером 5 5mm (см. рис. 2,a). С помощью подложки из газовой фазы, активированной разрядом последовательного перемещения образца относительно Влияние лазерного облучения на морфологию и эмиссионные свойства наноуглеродных пленок углеродной пленки. Было установлено, в частности, что превышение плотности мощности лазерного излучения более 18 MW/cm2 ведет к существенному изменению исходной морфологии пленок. Их поверхность вместо исходного бархатно-черного приобретает характерный для обычного графита светло-серый цвет с металлическим блеском. Наблюдение с помощью РЭМ показывает, что после воздействия лазерного излучения с такой мощностью на поверхности находятся НКГ, расположенные не перпендикулярно плоскости подложки, а вдоль нее. Аналогичное изменение морфологии поверхности пленок наблюдается при механическом воздействии на их поверхность. Для сравнения на рис. 3 показаны РЭМ изображения поверхности НКГ пленок после лазерного облучения (рис. 3,a) и после механического воздействия на нее пинцетом с тефлоновыми наконечниками (рис. 3,b). В обоих случаях изменение положения кристаллитов было необратимым. Такое поведение может быть объяснено ранее описанным явлением анизотропного испарения НКГ под действием линейно поляризованного лазерного излучения (см. подробнее в [7]). Этот эффект приводит к тому, что на поверхности пленки после воздействия мощного лазерного импульса остаются только те кристаллиты (или их части), атомные слои в Рис. 1. РЭМ изображения поверхности НКГ пленки до (a) и после (b) облучения импульсом лазера с плотностью мощности 7 MW/cm2.

лазерного пучка проводилось облучение поверхности пленок одиночными импульсами так, чтобы в пределах заданной области вся поверхность подвергалась воздействию лазерного излучения заданной плотности мощности. Облучение лазером проводилось на воздухе при комнатной температуре подложки. После этого производился анализ эмиссии и морфологии образца.

Измерения электронных эмиссионных характеристик производились по ранее описанной методике [4,5]. Исследуемый образец помещался в вакуумную измерительную ячейку (вакуум около 10-4 Pa), где параллельно ему на расстоянии около 0.5 mm размещалась стеклянная пластина, покрытая электропроводящим прозрачным слоем ITO (indium-tin oxide) и слоем катодолюминофора. Между катодом (исследуемым образцом) и анодом (слой ITO между катодолюминофором и стеклянной пластиной) прикладывалось напряжение околок 1 kV, достаточное для инициирования эмиссии электронов.

Изменение эффективности электронной эмиссии из разРис. 2. a — образец НКГ пленки на кремниевой подложке личных областей образца до и после лазерного облучеразмером 25 25 nm с нанесенной разметкой; b — катодония оценивалось по изменению интенсивности свечения люминесцентная анодная пластина, показаны распределение катодолюминофора под действием бомбардирующих его и эффективность эмиссионных центров в различных областях электронов.

на поверхности того образца НКГ пленки. Режимы обработки Воздействие лазерного излучения на исследуемые обозначенных областей в MW/cm2: 1 —1.6, 2 —2.9, 3 —3.3, образцы заключается в сверхбыстром нагреве за счет 4 —6.9, 5 —9.9, 6 — 14.4, 7 — 21, 8 — 31.7 (необозначенные поглощения света и последующем испарении материала квадраты лазерному воздействию не подвергались).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 138 А.Н. Образцов, А.П. Волков, Г.М. Михеев, А.Г. Шаховской, В.В. Роддатис, А.В. Гаршев предположить, что этот переосажденный углерод имеет аморфную структуру. Характерные размеры этих аморфных углеродных образований не превышают несколько нанометров.

При более низких уровнях мощности никакого заметного влияния лазерного излучения на эмиссию замечено не было. В то же время с ростом мощности лазерного излучения происходит постепенное снижение эффективности электронной эмиссии вплоть до ее практически полного исчезновения при 20 MW/cm2. Одновременно происходит постепенное изменение исходной морфологии поверхности пленок за счет увеличения плотности аморфных углеродных образований. Следует отметить, что вплоть до максимальных значений плотности мощности лазерного излучения размеры (высота и толщина) НКГ на поверхности пленок остаются практически теми же, а изменения касаются только их количества. Данное обстоятельство указывает на то, что геометрический фактор, определяемый размерами отдельных эмитирующих кристаллитов, не является определяющим для НКГ пленок. Действительно, неизменность геометрических размеров кристаллитов означает неизменность геометрического фактора усиления поля, который может быть оценен как отношение высоты эмиттера к радиусу закругления на его вершине. Более того, наличие дополнительных элементов из электропроводящего аморфного Рис. 3. РЭМ изображения поверхности НКГ пленки после углерода на вершине кристаллитов должно также привоздействия импульса линейно поляризованного лазерного водить к дополнительному увеличению этого геометриизлучения с плотностью мощности 30 MW/cm2 (a) и после ческого фактора [8]. Аналогично этому фактор усиления механического воздействия (b).

поля должен увеличиваться также и за счет увеличения расстояния между кристаллитами и соответствующего уменьшения электростатической экранировки [2].

которых были расположены перпендикулярно плоскости Таким образом, естественным является вывод, что эфполяризации. Не имея механической поддержки с боко- фективность электронной эмиссии из НКГ определяется вых сторон, такие кристаллиты „падают“ на поверхность в большей степени не их геометрическими характериподложки и удерживаются в этом положении силами стиками, а структурными и электронными свойствами Ван-дер-Ваальса аналогично тому, как это происходит составляющего их материала. Этот вывод полностью при механическом воздействии. В обоих случаях (после согласуется с ранее предложенной нами моделью эмисвоздействия мощного лазерного излучения и после ме- сионного центра для наноуглеродных материалов и соханического воздействия) электронная эмиссия из таких ответствующего механизма низковольтной электронной НКГ пленок практически исчезает (требуемое для полу- эмиссии [4,5]. Данные модель и механизм предполагают, чения эмиссии напряжение возрастает на 1-2 порядка, что упорядоченная графитоподобная структура НКГ, плотность эмиссионных центров и плотность эмиссион- УНТ или других аналогичных образований обеспечивает ного тока снижаются на несколько порядков). хорошую электропроводность и механическую стабильВлияние лазерного облучения на электронные эмисси- ность наноуглеродных эмиттеров. При этом специфичеонные характеристики проявлялось также и при исполь- ской особенностью таких наноуглеродных материалов зовании импульсов со значительно меньшими плотно- с графитоподобной структурой является возможность стями мощности. Так, из приведенного на рис. 2,b изоб- формирования на их поверхности кластеров с модифиражения анодной пластины видно, что отличие эмисси- цированными электронными свойствами, что приводит к онных характеристик от исходных начинает проявляться уменьшению эффективной толщины потенциального бапри плотности мощности около 7 MW/cm2. При этом рьера на поверхности и соответствующему увеличению на РЭМ изображениях областей пленок после лазерного эффективности электронной эмиссии [9].

облучения отмечается появление изменений в морфолоАвторы искренне признательны Р.Г. Зонову за погии поверхности по сравнению с исходной (рис. 1,b).

мощь, оказанную при проведении экспериментов.

Такое изменение морфологии является, видимо, следствием переосаждения углеродного материала, испарив- Работа выполнена при финансовой поддержке INTAS шегося под действием лазерного излучения. Естественно (грант № 01-0254) и CRDF (грант № RP2-2559-MO-03).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Влияние лазерного облучения на морфологию и эмиссионные свойства наноуглеродных пленок Список литературы [1] Gomer R // Field Emission and Field Ionization. New York:

AIP, 1993. P. 195.

[2] Bonard J.-M., Kind H., Stoeckli Th., Nilsson L.-O. // Solid-State Electronics. 2000. Vol. 45. P. 893–914.

[3] Temple D. // Mater. Sci. Eng. 1999. Vol. R24. P. 185–239.

[4] Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. // ЖТФ.

2001. Т. 71. Вып. 11. С. 89–95. (Technical Physics. 2001.

Vol. 46. P. 1437–1443.) [5] Образцов А.Н., Волков А.П., Боронин А.И., Кощеев С.В. // ЖЭТФ. 2001. Т. 120. Вып. 4. С. 970–978. (JETP. 2001. Vol. 93.

P. 846–852.) [6] Золотухин А.А., Образцов А.Н., Устинов А.О., Волков А.П. // ЖЭТФ. 2003. Т. 124. Вып. 6. С. 1291–1297. (JETP.

Vol. 97. P. 1154–1158.) [7] Михеев Г.М., Зотов Р.Г., Образов А.Н., Волков А.П. // ЖЭТФ. 2004. Т. 125. Вып. 3. С. 548–555 (JETP. 2004. Vol. 98.

N 3. P. 483.) [8] Givargizov E.I., Zhirnov V.V., Stepanova A.N., Rakova E.V., Kiselev A.N., Plekanov P.S. // Appl. Surf. Sci. 1995. Vol. 87/88.

P. 24–30.

[9] Obraztsov A.N., Zakhidov Al.A. // Diamond and Related Mat.

2004. Vol. 13. P. 1044–1049.




© 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.