Диссертация (1103201), страница 8
Текст из файла (страница 8)
В работе показано увеличение разориентации углеродных наностенокс увеличением температуры и с увеличением концентрации C2H2. Для лучшихобразцов, выращенных при температуре подложки 600 °С и концентрацииацетилена 5%, порог эмиссии составляет ~ 17 В/мкм, а плотность токадостигает ~ 3 мА/см2; для остальных образцов данные характеристики45значительно хуже.В работе [51] сообщается о хорошей полевой эмиссии углеродныхнаностенок. Для роста углеродных наностенок использовался СВЧ реактор сразличными смесями газа CH4/H2 и CH4/B(CH3)3.
В зависимости отконцентрации триметилбора были получены пленки разной морфологии.Толщина графеновых листов при этом составляла ~10 нм для всех пленок.Разная морфология пленок приводит к разным эмиссионным характеристикам.Максимальная плотность тока была достигнута для образцов, выращенных всмеси бора концентрацией 50 чнм и составляет >50 мА/см2. Фактор усиленияимеет наибольшее значение для пленок, выращенных без использованиятриметилбора.
Количество эмиссионных центров максимально для пленок,выращенных с концентрацией бора 10 и 50 нчм. В работе показано, что борвлияет на морфологию структур, что приводит к изменению свойств полевойэмиссии.В работе [52] продемонстрирована хорошая повторяемость эмиссионныхсвойств, и исследовано время старения образцов.
Углеродные наностенки быливыращены с помощью высокочастотного плазма усиленного осаждения изгазовой фазы, с использованием CH4/H2. Структуры показывают плотность тока~ 8 мкА/см2, порог эмиссии менее 7.2 В/мкм. В результате проведенныхиспытаний показано, что пленки практически не деградируют в течение 200часов испытаний катода. Таким образом, углеродные наностенки показываютхорошие эмиссионные свойства, которые превосходят эмиссионные свойствадругих материалов.
Фактор усиления углеродных наностенок существенноотличается от группы к группе и иногда достигает значения 62900 [53].Иногда для усиления эмиссионных характеристик углеродных наностенокна их поверхность наносят различные материалы, такие как CrOx [54], Pt [55] идр. Нанесение CrOx толщиной 1.5 нм приводит к улучшению однородностиавтоэмиссии и снижению порога эмиссии с 8.9 до 2.4 В/мкм. Нанесениеплатиновых наночастиц позволяет снизить порог эмиссии с 5 до 4 В/мкм и46увеличить плотность тока на 250%.Следуетотдельнорассмотретьвлияниеобработкиповерхностинаностенок азотом [56]. В данной работе для роста углеродных наностенокиспользовали емкостно-связную плазму с дополнительным индукционнымвводом радикалов водорода, после чего производили обработку поверхностиструктур в N2 плазме.
Такая обработка приводит к изменению электронногосостояния получаемых структур таких как дефекты и границы. Анализсодержания азота на поверхности структур производили с помощьюрентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Было определено, что наличиеазота в пленке приводит к значительному изменению эмиссионных свойствуглеродных наностенок. По изменению рамановских пиков было определено,что значение ID/IG уменьшается с 2.24 до 1.37.
Из данных рамановской ирентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было определено, что азотвстраивается в нанодомены и улучшает кристаллическую структуру пленки и еепроводимость.Какследствие,этифакторыприводяткулучшениюэмиссионных характеристик.В различных работах указаны различные параметры эмиссионныхструктур и достаточно трудно произвести сравнительный анализ. Основныеданные, которые были найдены в работах, представлены в таблице 3.1Таблица 3.1 Эмиссионные характеристики основных структур.МатериалПорогПлотность тока,эмиссии, мА/ cм2В/мкмФактор усиленияСсылканаработуЛенты ZnO1.3101.4*104[45]Ленты ZnS3.5514.61850[45]Наностолбы Si7.31(минимальныйпорог424 (максимальный [45]6350)470.8)Наноалмаз2.20.7Одностенныенанотрубки1.5-410МногостенныенанотрубкиУглеродныенаностенки[47]2500-1000[49]4-510-100(минимал (максимальноеьныйзначение10 000)порог2.1)2000-10000[57, 58]0.9-201000-62900[18,53,593-10]Среди всех перечисленных материалов отдельно следует выделитьуглеродные наностенки.
Углеродные наностенки могут быть выращены насамых различных поверхностях с использованием различных методов иобладают стабильной полевой эмиссией. В Главе 3 рассматривается новыймеханизм подготовки поверхности, который позволяет добиться рекордныхплотностей тока углеродных наностенок. До сих пор не было проведеносистематическое исследование влияния температуры синтеза на структуруполучаемых пленок.
В Главе 3 рассматривается влияние температуры синтезана свойства получаемых структур и получаемые эмиссионные характеристики.483.2 Фотоэлектрохимическое структурирование кремния как новый методподготовки поверхности для роста углеродных наностенок и исследованиеих характеристик3.2.1 ВведениеВ данной части описывается метод синтеза нанокристаллического графитана пористом кремнии и исследуются автоэмиссионные свойств такогоматериала. Как показано в обзоре литературы, в данный момент широкоисследованы автоэмиссионные свойства различных материалов и структур,таких как кремневые столбы, нанотрубки, нанокристаллический графит и т. п.Многие материалы показывают достаточно низкий порог эмиссии, но восновном все из них обладают низкой плотностью тока. Обычно для созданияструктурированногокремнияиспользуютсясложныеидорогостоящиетехнологии, такие как электронная литография, CVD рост структур сиспользованием катализаторов, реактивное ионное травление и т.
п. Иногдаструктурированиекремнияпроводятсиспользованиемхимическихифотоэлектрохимических методов. Большинство структур, получаемых даннымобразом, применяется в качестве фотонных кристаллов [60], Li-ion источников[61, 62] и т. д.В последние несколько десятилетий было предложено множество методовроста углеродных наноструктур.
Обычно для роста структур используютсяразличные методы обработки поверхности образца перед ростом структур. Какпоказано в Главе 2, к этим методам относится механическая подготовкаповерхности, нанесение катализаторов на поверхность и ионная бомбардировкаповерхности в ВЧ разряде со смещением. В данном разделе описана методикароста нанокристаллического графита на пористом кремнии без дополнительнойобработки поверхности. Данные структуры были выращены на кремнии n- и pтипа (100). Структурирование кремния происходило с использованием49фотоэлектрохимического травления.
Анализ выращенных структур показывает,что углеродные структуры состоят из многостенного нанокристаллическогоуглерода и многостенных нанотрубок. Образцы характеризуются низкимпорогом эмиссии Е< 3 В/мкм и большой плотностью тока до 6 А/см2. Плотностьтока 6 А/см2 была получена при значении электрического поля 15 В/мкм.Используя данную технологию, можно получать однородные эмиссионныеобразцы различного размера.В данном разделе описан метод роста углеродных наностенок наповерхности пористого кремния.
Процесс производства пористого кремния сиспользованиемэлектрохимическоготравлениянетребуетвысокотехнологичного оборудования и является достаточно простым. Даннаятехнология вышла на промышленный уровень. Обычно пористый кремнийиспользуется в качестве фотонных кристаллов, разных видов датчиков,наноконденсаторов и т. п. Для создания различных структур на основепористого кремния используются различные маскирующие слои (SiO2, Si3N4)[63]. Создание маскирующего слоя позволяет получать структуры определеннойформы и размеров.
В нашем случае при структурировании кремния неиспользовались маскирующие слои. После фотоэлектрохимического методаобразцы помещались в DC PECVD реактор для роста углеродных наностенок.Использование данного метода позволяет выращивать селективно пленкунанокристаллического графита. Селективность является важным параметромприростенанокристаллическогопроисходитисключительновграфита.техРостобластях,углеродныхгдеструктурпроисходилофотоэлектрохимическое травление. За пределами области структурирования ненаблюдается рост углеродных наностенок. Размер селективности можетварьироваться от 3 мм до нескольких десятков миллиметров. Все полученныекатоды показывают низкий порог эмиссии и высокие плотности тока.
Данныйметод является достаточно простым, дешевым и показывает высокуюповторяемость.50Первые исследования пористого кремния начались в 60-е года 20 века,процесс изучение пористого кремния существенно ускорился с развитиемэлектронной микроскопии. Электрохимический метод позволяет получать порыразличного диаметра, иногда получают более сложные периодическиеструктуры. Пористый кремний может быть классифицирован по размеру пор:микропористый (поры диаметром менее 2 нм), мезопористый (диаметр порварьируется от 2 до 50 нм), макропористый (диаметр пор более 50 нм).В качестве растворов используют смесь плавиковой кислоты с водой,спиртом или другими растворителями [64].
При прикладывания напряжениямежду электродом и кремнием, находящимся в электролите, начинаетпроисходить химическая реакция. В зависимости от тока, протекающего черезкремний, может происходить как полировка кремния (при больших токах), так иформирование пор. Параметры травления будут определяться как типомкремния, так и степенью его легирования. При этом протекает следующаяхимическая реакция. Ионы фтора начинают взаимодействовать со связью Si-Siи образуют SiF62-. При этом происходит реакция описываемая уравнением 4[65]:Si+6F-+2H++2h+=SiF62- +H2(4)Как утверждается в работе [65], на поверхности кремния всегдаприсутствует водородные связи, и не смотря на то, что энергия связи Si-Fсоставляет 129.3 ккал/моль, а Si-H - 70.4 ккал/моль реакция не начинаетпроходить, пока нет тока. Под действием анодного потенциала в p-типе кремниядырки начинают подходить к поверхности и ослабляют связь Si-H.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
