Диссертация (1103201), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

В отличие от термоэлектронной эмиссии, она не требует затратыдополнительной энергии на разогрев катода. Приборы, реализованные наданном типе автоэмиссии, будут более энергоэффективными и автономными.Основное уравнение, описывающее ток полевой эмиссии, впервые быловыведено Фаулером и Нордгеймом в 1928 году и описывается уравнениями 1-3.32 2 Aβ E    Bφ 2exp  J =  φ   βEV I = S  J, E = d(1)(2)или Aβ 2  J ln=ln  2E φ3 Bφ 2   βE (3)Здесь A и B константы, S — площадь эмиссии, V — прикладываемыйпотенциал, I — ток эмиссии, β — фактор усиления поля, d — расстояние междукатодом и анодом, φ — рабочая функция, которая зависит от материала.

β —фактор усиления поля, который зависит от формы материала и, в простейшемслучае, для нанотрубок, наностержней может быть описан как β=h/r, где h —высота, r — радиус структуры. Полевая эмиссия будет определяться формойструктур, рабочей функцией материала и областью эмиссии.393.1.2 Эмиссионные свойства неорганических веществПрогресс в электронике позволил реализовать самые различные структурыдля получения полевой эмиссии. Так, в работе [45] приводится обзор исравнение различных неорганических полупроводников (ZnO, ZnS, Si, WO3,AlN, SiC) и описываются основные их свойства.Электрические и оптические свойства ZnO сильно зависят от морфологиии размера структур. В последнее десятилетие были получены наномассивы,наностержни, нанопровода, наноленты, наностенки и т.

п. оксида цинка, такаяразнообразная морфология делает данный материал привлекательным дляиспользования в качестве эмиссионных центров. Для эмиссионных испытанийиспользовались наноленты оксида цинка [45], полученные с помощью методатермического испарения, см. рис 3.1 а). Такие ленты можно получить длиной донесколькихмиллиметров.Дляизмеренияэмиссионныххарактеристикиспользовались ленты шириной до 6 мкм. Порог эмиссии таких структурсоставляет 1.3 В/мкм, а плотность тока достигает 10 мА/cм2, фактор усиленияпри этом достигает значения 1.4*104. Для остальных структур, полученных наоснове оксида цинка, данное значение намного меньше.Были проведены испытания эмиссионных свойств нанолент ZnS [45],полученныхтермическимметодомбезиспользованиядополнительныхкатализаторов, см.

рис. 3.1 б). Размер получаемых структур достигаетнескольких миллиметров, а толщина составляет сотни нанометров. Показано,что массив вертикально ориентированных нанолент обладает лучшимиэмиссионными характеристиками, чем свободно ориентированные структуры.Порог автоэмиссии составляет 3.55 В/мкм, а плотность тока достигает 14.6мА/cм2, фактор усиления ~1850. Эмиссионные свойства таких структурпрактически не меняются после 5 часов испытаний.40Рисунок 3.1 а) наноленты ZnO, б) наноленты ZnS, в) структуры кремния, г) нанопроводаWO3.Наиболеераспространеннымматериалом,используемымвмикроэлектронике, является кремний.

Технологические процессы позволяютполучать самые различные структуры размером от нескольких нанометров домикрон. Данный материал все чаще используется в качестве полевыхэмиттеров.Спомощьютермическогоиспарениябезиспользованиякатализаторов, были получены кремниевые провода [45] с поверхностнойплотностью ~ 4*109 шт/см2, размер структур составляет несколько нанометров,см. рис. 3.1 в). При этом порог автоэмиссии был 7.3 В/мкм, а плотность тока 1мА/cм2, фактор усиления достигал значения ~424. Наилучший фактор усилениядля кремниевых структур составляет ~6350, а минимальный порог эмиссии 0.8В/мкм.41Также успешно были реализованы эмиссионные структуры на основеWO3,AlN,SiC[45],которыепоказываютразличныеэмиссионныехарактеристики в зависимости от структурных свойств и морфологии.

При этомрезультаты научных групп сильно варьируются в зависимости от методовсинтеза.3.1.3 Эмиссионные структуры на основе алмазаВ отличии от материалов, описанных выше, алмаз и наноалмаз обладаетцелым рядом уникальных свойств, которые делают его незаменимым в целомряде электронных приборов. Алмаз и алмазоподобные структуры являютсямеханически стойкими. Попытки реализовать эмиттеры со стабильнымиплотностями тока предпринимались с 90-х годов, но в основном такиеструктуры обладают низкими плотностями тока.

В работе [46] исследуютсяэмиссионныесвойства алмазных пленок, полученных с помощью СВЧреактора, при этом использовались различные газы, смесь CH4/H2/B. В работебылавыращенатемпературах.пленкаполикристаллическогоДля созданияцентровалмазануклеацииприповерхностьразличныхкремнияобрабатывалась алмазным порошком. В работе показано, что увеличениетемпературы осаждения приводит к уменьшению электрического поля прификсированном значении тока эмиссии. Аналогичная зависимость наблюдаетсяпри увеличении концентрации метана, азота и бора. Бор и азот могут легковстраиваться в алмазную решетку.

Изменение этих параметров приводит нетолько к изменению эмиссионных характеристик, но и к изменениюморфологии и структуры пленки. Увеличение температуры приводит куменьшению полуширины рамановских пиков D и G, их интенсивностьвозрастает и, следовательно, при таких условиях начинает преобладать фаза sp 2углерода, а количество sp3 фазы уменьшается. Увеличение концентрации метанаприводит к похожему результату, в пленке преобладает большое количество42углеродной фазы.

По полученным результатам было определено, что сувеличением времени осаждения при фиксированной концентрации метананаблюдается уменьшение количества эмиссионных центров. Все полученныеструктуры обладают хорошей стабильностью и низкими плотностями тока ~нА.В работе [47] было произведено исследование эмиссионных свойствнаноалмазных пленок, выращенных в смеси CH4/H2/N2 и CH4/Ar. Рост пленокпроизводили в СВЧ камере на частоте 2.45 ГГц. В качестве подложекиспользовали кремний n-типа.

Для создания центров нуклеации поверхностькремния обрабатывали алмазным порошком. Толщина выращенной пленкисоставляла 0.8 мкм. В зависимости от состава газовой смеси были полученыпленки разной морфологии, см. рис. 3.2.Рисунок 3.2 а) алмазная пленка, выращенная в смеси CH4/H2/N2 при потоке 2/8/190 см3/мин,б) алмазная пленка, выращенная в смеси CH4/Ar и протоках 2/198 см3/мин, d) алмазнаяпленка, выращенная в смеси CH4/H2 и протоках 2/198 см3/мин.Из СЭМ изображений видно, что в зависимости от газовой смеси,алмазные пленки имеют различную морфологию. Пленки, полученные прииспользованиисмесиCH4/H2/N2иCH4/Ar,имеютсреднийразмеркристаллитов 15-20 нм и называются наноалмазом, см.

рис. 3.2 а). Рамановскиеданные образцов показывают, что рамановские моды являются уширенными.Это говорит о том, что данные пленки содержат большое количество sp 2 фазы,которая располагается между алмазными кристаллитами. Такие пленкиобладают низким порогом эмиссии (~2.2 В/мкм) меньше, чем пленки,43выращенные в смеси CH4/H2, также характеризуются более высокойплотностью тока, которая достигает ~ 700 мкА/см2. Данная закономерностьсвязана с присутствием углерода sp2 фазы и большим количеством границ.3.1.4 Полевая эмиссия углеродных нанотрубокС момента первого открытия углеродных нанотрубок в 1991 г. былопродемонстрировано множество практических применений нанотрубок вразличных приборах и устройствах, среди которых небольшие эмиссионныеисточники, рентгеновские трубки, дисплеи с полевой эмиссией и т.

д. Какуказано выше, автоэмиссионные свойства различных структур определяютсядвумя основными факторами: работой выхода и формой структур. В этомотношении углеродные нанотрубки представляют особый интерес в качествеэмиссионных катодов, так как они обладают маленьким диаметром и большойдлиной, что приводит к существенному усилению электрического поля. Споявления первых работ [48] по использованию нанотрубок в качествеэмиссионных центров были исследованы эмиссионные свойства одностенных[49] и многостенных [50] углеродных нанотрубок.Так, в работе [49] были выращены одностенные углеродные нанотрубки вдуговом разряде.

В качестве катализатора для роста нанотрубок использоваласьсмесь графита-Ni-Y. В данном случае были получены одностенные нанотрубки,расположенные на поверхности хаотично. При эмиссионных испытанияхданные структуры показывают плотности тока 10 мА/см2. При этом порогэмиссии и фактор усиления варьируется в пределах от 1.5-4 В/мкм и 2500-10000соответственно. Но при больших плотностях тока такие структуры показываютухудшение эмиссионных свойств на 10-20% в час, что связано с выгораниемуглеродных нанотрубок.

В работе [50] были получены многостенныеуглеродные нанотрубки с помощь дугового разряда. Многостенные нанотрубки44показывают аналогичную плотность тока и порог эмиссии, но обладают лучшейстабильностью при длительных испытаниях.Углеродные нанотрубки могут применяться в качестве эмиссионныхкатодов при небольших плотностях тока, но при длительных испытанияхпроисходит выгорание отдельных эмиссионных центров, что приводит кнестабильной работе приборов и ухудшению эмиссионных характеристик.3.1.5 Полевая эмиссия углеродных наностенокВ отличие от углеродных нанотрубок, длина которых составляет сотнимикрон, а диаметр несколько нанометров, углеродные наностенки обладаютдлиной и шириной порядка 1-5 мкм и толщиной несколько нанометров. Помимомногослойных графеновых листов, в пленке часто присутствуют многостенныенанотрубки; такой материал мы называем нанокристаллическим графитом.

Вбольшинстве работ не рассматривают влияние многостенных нанотрубок наэмиссионные свойства получаемого материала. В нашей работе мы показали,что нанотрубки оказывают значительное влияние на эмиссионные свойства [11].Из-за того, что большинство групп синтезируют углеродные наностенки безмногостенных нанотрубок, плотности тока таких структур оказываютсядостаточно низкими.В работе [18] были синтезированы углеродные наностенки в реакторе сгорячей нитью в смеси газов C2H2 и H2 и исследовано влияние температуры иконцентрации C2H2 на морфологию получаемых структур и на их эмиссионныесвойства.

Характеристики

Список файлов диссертации