Диссертация (1103201), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Для даннойзакономерности могут быть даны два различных механизма объяснения.1) Изменение (увеличение) фактора усиления может быть объясненопостепеннымподъемом(отначальногоневертикальногоположения)эмиссионных длинных нанотрубок в электрическом поле. В этом случае β 2говорит о стоящих нанотрубках (угол между нанотрубкой и поверхностьюθ=90° при высоких полях E), β1~β2/3 соответствует углу θ~20° для слабыхполей.2) Второе объяснение является более сложным и, кажется, менеевероятным.
Рассматривается эмиссия с коротких и длинных нанотрубок. Вопервых, количество длинных нанотрубок значительно меньше количествакоротких, что подтверждается СЭМ исследованиями. Во-вторых, наблюдаемоеизменение в наклонах кривых показывает, что электронная эмиссия с короткихнанотрубок происходит при больших полях E, и, наоборот, эмиссия с длинныхнанотрубок происходит при низких электрических полях E (например, при ихневертикальном расположении). Подавление коротких нанотрубок при большихэлектрических полях E может быть связано с перераспределением тока вкремниевой подложке от коротких к длинным нанотрубкам. Большой ток сдлинных трубок обеспечивается тем, что электроны собираются с коническогообъема кремния на верхушке нанотрубок.
Сбор носителей может быть и вгоризонтальном направлении, за счет чего происходит перехват носителей укоротких трубок.Плотность тока измерялась до пробоя, после чего испытания непроводились. Максимальная плотность тока, которая была достигнута на59кремнии n-типа, составляла 1 А/см2. На другом типе кремния было полученозначение плотности тока 6 А/см2. В данном случае принципиальное отличие отобычных образцов, которые не подвергались травлению, состоит в том, чтонанотрубки располагаются на островках или выступах микронных размеров(ширина и высота этих выступов 1-3 мкм). Используя специально написаннуюпрограмму для двумерных электродов, было оценено возможное увеличениеизвлекаемого электрического поля βE с пористого кремния.
Вытягиваемое полеβE на верхушке полой нанотрубки с внутренним радиусом 50 и внешним 100нм, было посчитано для вертикально стоящей нанотрубки длиной h=4 мкм нацилиндрическом постаменте разной высоты H и диаметра D. Как результатфактор усиления β/β0 для пористого кремния (в сравнении с вытягивающимэлектрическим полем β0E для аналогичных трубок на плоской поверхности,D>>H) был следующим: β/β0 ≈ 1.25 для H=2 мкм и β/β0≈1.4 для H=3 мкм.Расчеты были сделаны для типичного размера кремниевой колонны разнойвысоты при фиксированном диаметре D=2 мкм.
Такое значительное увеличение(до 50% в добавлении к β0~h/r>10) может объяснить наблюдаемое уменьшениепорога эмиссии и увеличение плотности тока j, даже принебольшимколичеством нанотрубок в сравнении с неструктурированной поверхностью(т. к. наблюдается экспоненциальная зависимость j/(βE)2~exp(-A/(βE))).В данном разделе показан новый тип модификации поверхности дляпоследующего роста углеродных наностенок, помимо существующих методов(СВЧ ВЧ разряд со смещением, механический посев с помощью алмазногопорошка, использования различных катализаторов). Данный метод позволяетселективносоздаватьобласти,вкоторыхбудетпроисходитьростнанокристаллического графита.
Характерный размер области структурированияварьируется от 3 мм до 20 мм (ограничение в 3 мм связано с выходом газа впроцессе травления, который создает пузырьки, препятствующие дальнейшемутравлению; размер в 20 мм — это размер, при котором производилась проверкаструктурирования кремния, данное ограничение связано с конструкцией60ростовой камеры.
Мы полагаем, что можно создавать структуры на значительнобольшей площади). Продемонстрирован новый тип композитного материала наоснове пористого кремния и нанокристаллического графита, исследовановлияние параметров травления на автоэмиссионные характеристики. Показано,что варьирование времени травления кремния существенно влияет наобразование количества центров нуклеации, как следствие, на морфологиюполучаемых углеродных наностенок и автоэмиссионные характеристики.3.3 Эмиссионные характеристики пленок, полученных при различныхтемпературах синтезаУглеродные наностенки и многослойные углеродные нанотрубки былисинтезированы в DC PECVD реакторе без использования различныхкатализаторов и предварительной обработки поверхности.
В данной частиисследуется влияние температуры синтеза на структурные и автоэмиссионныехарактеристики. Показано, что температура синтеза оказывает большое влияниена свойства углеродных наностенок и многослойных углеродных нанотрубок. Сувеличением температуры наблюдается лучшая стабильность при полевойэмиссии. Показано, что изменение температуры на 15% в процессе синтезасильно влияет на структурные и автоэмиссионные свойства получаемыхпленок.3.3.1 Экспериментальная частьВ качестве подложек для синтеза углеродных наностенок и измерения ихполевой эмиссии использовался стеклоуглерод размером 0.5 см2, который легкоподдается обработке и не требует дополнительной модификации поверхностиперед ростом структур.
Толщина подложек варьировалась от 200 до 850 мкм. В61работе в общей сложности использовалось 35 подложек разной толщины 10, 10,8, 7 шт. толщиной 200, 450. 650, 850 мкм. Толщина подложек варьировалась сцелью изменения температуры в процессе синтеза структур. Чем толщеподложка, тем выше температура на ее поверхности. Синтез пленок проводилсяв DC PECVD камере в атмосфере метана и водорода. Основные параметрысинтеза при росте пленок были следующие: давление 150 Торр, соотношениеметана и водорода 5-7%, поток водорода 3 л/ч, время роста 25 мин. Дляизмерения температуры использовался радиационный пирометр. Измерениятемпературы проводились после первых 5 минут синтеза структур, когдатемпература достигала своего предела, среднее отклонение температуры наподложках одной толщины не превышали 1.5 %.
Температура держателя, накоторой располагался образец, составляла 980 °C. Температура лицевойстороны подложки (сторона, которая находится в плазме) определяласьтолщиной подложки. Толщина подложки больше 900 мкм, приводит кнестабильности плазмы. Структурные исследования пленок проводились насканирующем электронном микроскопе (Carl Zeiss Supra 40), Рамановскойспектроскопиисдлиннойволны514нм.Измеренияэмиссионныххарактеристик производили на том же стенде, что и в предыдущем разделе.Характерное расстояние между катодом и анодом составляло 100 мкм, вакуумбыл ~10-7 Торр.
Все измерения проводились в импульсном режиме (импульс 100мкс. Частота 50 Гц).3.3.2 Обсуждение результатовНа рисунке 3.7 представлена зависимость температуры на поверхностиобразца в зависимости от толщины подложек. Из рисунка 3.7 видно, что сувеличением толщины пленки наблюдается линейное увеличение температуры.62Рисунок 3.7 Зависимость температуры поверхности от толщины подложки.Изображенияэлектронногонанокристаллическогомикроскопа,выращенногографитаприсоразличныхсканирующеготемпературах,представлены на рисунках 3.8 а)-б) и 3.9 а)-б).
Из данных картинок видно, чтосредний размер углеродных листов увеличивается с увеличением температурыи данная зависимость может быть аппроксимирована линейной кривой рис. 3.8в). Из наклона этой кривой можно сделать вывод, что размер листовувеличивается на 6.3 нм/°C. Оценка поверхностной плотности показывает, чтоколичество ребер на поверхности не изменяется с изменением температуры исоставляет 108 см-2. По-видимому, такая закономерность может быть связана стем, что в подложке из стеклоуглерода содержится кристаллиты, которыеявляются центрами нуклеации, и их количество остается неизменным.Недавние исследования в кинетике роста показывают, что наблюдаетсялинейная зависимость с одинаковым наклоном для увеличения высоты иширины ребер [8].
Однако с увеличением времени роста происходит вторичнаянуклеация на поверхности ребер, что проявляется в формировании глобул,63которые состоят из углеродных наностенок. Необходимо отметить, что междутемпературой роста и толщиной щитов также наблюдается зависимость. Какупоминалось выше, на углеродных наностенках, помимо вторичной нуклеации,наблюдаются многослойные углеродные нанотрубки, причем, они формируютсябез дополнительного катализатора. На данный момент формирование такихструктур может быть объяснено тем, что в процессе роста углеродных листов,они начинают сворачиваться в многостенные нанотрубки, а иногда наблюдаетсяпроцесс их разворачивания.
По своей форме нанотрубки похожи на конусы: ихдиаметр уменьшается от основания к верхушке, при этом внутренний диаметрнанотрубокчастоостаетсяпостоянным.Типичное ПЭМизображениенанотрубок, выращенных при 1060 °С, представлено на рисунке 3.9 в). Так жекак и при формировании листов, на форму нанотрубок влияет температурасинтеза. Размер нанотрубок был определен из СЭМ и ПЭМ изображений.Средняя длина нанотрубок пропорциональна температуре подложки исоставляет 11 нм/°C.
Исследования с помощью сканирующей электронноймикроскопии показали, что с изменением температуры внутренний диаметрнанотрубок остается практически неизменным. Наблюдается различие междуверхним диаметром и диаметром у основания. Таким образом, коническаяформа наиболее характерна для нанотрубок, выращенных при более низкихтемпературах (1010 °С в нашем эксперименте).64Рисунок 3.8 а)-б) СЭМ изображения пленок, выращенных при различных температурах; в)зависимость среднего размера углеродных наностенок в зависимости от температурысинтеза, ошибка измерений не превышает 10%; г) ПЭМ изображение наностенок и типичныйрамановской спектр пленок.Рамановский спектр таких структур показан на рисунке 3.8 г).
В данномспектре присутствуют основные линии, характерные для sp2 углерода, болееподробная информация представлена в предыдущих главах. Отношение I D/IGдля всех пленок, выращенных в температурном режиме от 1010-1125 °С,составляет 0.47, что соответствует размеру кристаллитов ~10 нм [68].Необходимо отметить, что рамановский спектр в основном характеризуетуглеродные наностенки, так как их плотность на поверхности подложки,существенно превышает количество нанотрубок.65Рисунок 3.9 а)-б) СЭМ изображения нанокристаллического графита, полученного приразличных температурах; в) ПЭМ изображение многостенных нанотрубок; г) зависимостьдлины нанотрубок и разности диаметров основания нанострубок и их вершины взависимости от температуры.Вольт-амперные характеристики пленок, выращенных приразныхтемпературах, представлены на рисунке 3.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
