Эмиссионные и инжекционные свойства низкоразмерных углеродных материалов и гетероструктур на их основе (1105328)
Текст из файла
На правах рукописиСтрелецкий Олег АндреевичЭМИССИОННЫЕ И ИНЖЕКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НИЗКОРАЗМЕРНЫХУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕСпециальность 01.04.04 — физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква2012Работа выполнена в Московском государственном университете им.М.
В. Ломоносова на кафедре физической электроникиФизического факультета.Научный руководитель:к.ф.-м.н., доцент Хвостов Валерий ВладимировичОфициальные оппоненты:Мордкович Виктор Наумович, д.ф.-м.н., профессор, Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, заведующий лабораториейКрасовский Виталий Иванович, к.ф.-м.н., ИОФ РАН, ст. научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовскийинститут"Защита состоится «19» апреля 2012 года в 17-00 на заседании диссертационного советаД 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова поадресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр.
2, Физический факультет МГУ,ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова.Автореферат разослан «___» __________ 20__ годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыПриоритетным направлением развития науки и техники в настоящее время являетсятвердотельная электроника, лежащая в основе разнообразных направлений техники (энергетика, приборостроение, видеотехника, светотехника и другие).Твердотельная электроника основывается, на свойствах традиционных полупроводников и гетероструктур на их основе.
В результате возрастающих требований к миниатюризации элементной базы, размеры МОП (металл-окисел-полупроводник) структур (например,длина канала проводимости) приблизились к предельным минимальным значениям - порядка 30 нм. Дальнейшее уменьшение размеров приводит к квантовым эффектам, нарушающим принципы работы традиционной полупроводниковой электроники. Существуют фундаментальные ограничения, связанные с физикой работы полупроводниковых приборов.Размер полупроводникового элемента не может быть меньше длины свободного пробегаэлектрона и радиуса экранирования Дебая в полупроводнике (десятки нанометров).
Используемые в настоящее время технологии и материалы уже дошли до своего технологическогопредела.Логика развития физики низкоразмерных систем ставит фундаментальные задачи поиска новых материалов и структур на их основе и детального изучения их электрофизических свойств с целью создания приборов нового поколения на новых принципах работы. Всвязи с этим представляются чрезвычайно актуальными исследования, направленные насоздание альтернативных материалов и устройств, способных обеспечить дальнейший ростпроизводительности интегральных микросхем, как за счет собственных нетривиальныхэлектрофизических свойств, так и за счет возможности изготовления на их основе приборов, работающих на принципиально новых физических эффектах.
Одним из подходов решения этой задачи - формирование логических устройств на основе одноэлектронных устройств. Однако анализ работы одноэлектронных устройств выявил ряд проблем. Линейныйразмер элемента работающего при комнатной температуре не должен превышать 5 нм, чтоне позволяет создание устройств на его основе в рамках существующих промышленныхтехнологий. Более того, обеспечение воспроизводимости размеров и формы таких элементов в настоящее время не представляется возможным.Альтернативой твердотельной электронике является эмиссионная электроника. Вакуумные эмиссионные устройства имеют ряд преимуществ перед твердотельными: низкийуровень шума (дробовой шум), высокое быстродействие (баллистическая проводимость) идр.
Прогресс в этом направлении сдерживается отсутствием эффективных электронныхэмиттеров. Для создания таких эмиттеров требуется новый материал, обладающий неза3урядными эмиссионными свойствами. Поэтому требуется поиск новых наноматериалов суникальной электронной структурой, обеспечивающей высокий коэффициент вторничнойэлектронной эмиссии (ВЭЭ) сравнимой или превышающей коэффициент вторичной эмиссии диэлектриков (≈ 10).
Линейно-цепочечный углерод (ЛЦУ) идеально подходит для этихцелей из-за особенностей его электронной структуры.Структура ЛЦУ представляет собой параллельные цепочки атомов углерода с sp1 – гибридизацией валентных связей, образующих гексагональные плотно упакованные слои. Углеродные цепочки ориентированы нормально по отношению к подложке и поверхностипленки.
Одномерный характер структуры ЛЦУ определяет высокую анизотропию электрической проводимости (вдоль и поперек цепочек). Электрическая проводимость вдоль цепочек на шесть порядков выше, чем в перпендикулярном направлении.Анизотропия проводимости пленок ЛЦУ, их баллистическая проводимость вдоль цепочек дают основание ожидать аномально высокие транспортные свойства электронов и, соответственно высокую вторично-электронную эмиссию, что позволит проектировать такиеэлектронные устройства как электронно-чувствительные фотоэлектрические преобразователи.Цель работыЦелью данной работы является:1.
Синтез и сравнительный анализ исследование структурных свойств различных формЛЦУ полученного следующими методами: импульсно-плазменного осаждения (двумерноупорядоченный (ДУ) ЛЦУ), ионно-стимулированной конденсации (поликристалическийЛЦУ) и методом дегидрогалогенирования поливинилиденхлоридного волокна с последующей термической обработкой в вакууме (аморфный ЛЦУ).2. Исследование вторично-эмиссионных свойств ДУ ЛЦУ и анализ механизма эмиссииотвечающего за высокий коэффициент ВЭЭ по сравнению с другими углеродными материалами.3.
Исследование инжекционных и транспортных свойств гетероструктур типа металл –ЛЦУ – металл, с целью создания базовых элементов устройств углеродной электроники наоснове ДУ ЛЦУ и поликристаллического ЛЦУ.4. Исследование эмиссионных свойств аморфного ЛЦУ с целью создания эффективныххолодных эмиттеров.Научная новизна и научно-практическая значимость работызаключается в том, что:41. Получены низкоразмерные материалы на основе ЛЦУ методами ионно-плазменного,ионно-стимулированного осаждения и методом химического дегидрогалогенирования.2. Впервые получены и исследованы поликристаллические пленки углерода на основеsp1 – связей с высокой анизотропией проводимости.3.
Созданы гетероструктуры типа металл – ЛЦУ, металл – диэлектрик – ЛЦУ иисследованы их функциональные свойства.4. Проведено комплексное исследование эмиссионных и инжекционных свойствгетероструктур (металл – ЛЦУ, металл – диэлектрик – ЛЦУ) на основании которыхопределены оптимальные характеристики технологических процессов для обеспечения ихвысоких функциональных свойств: высокий потенциал открывания (от 3 В), высокаякрутизна вольтамперной характеристики.5. Обнаружена аномально высокая вторичная эмиссия (коэффициент вторичнойэмиссии ≈ 50) электронов пленок ДУ ЛЦУ на просвет, что позволяет использовать их вкачестве твердотельных умножителей электронов для создания приборов твердотельнойэмиссионной электроники.6. Разработан лабораторный образец холодного эмиттера на основе структуры металлдиэлектрик - ДУ ЛЦУ - металл.7. Изготовлен холодный катод на основе аморфного ЛЦУ, с механизмом эмиссии поШоттки.8.
Создан макет нового наноэлектронного устройства - полевого транзистора на основепленки ДУ ЛЦУ.Личный вклад автораВсе приведенные результаты получены автором лично или с его определяющим непосредственным участием. Существенным вкладом автора являются: создание измерительныхстендов, разработка методик измерений и обработка полученных результатов, на основаниичего, автором сформулированы и обоснованы выводы диссертацииАпробация работыОсновные результаты работы были опубликованы в виде статей и тезисов докладовконференций, перечень которых приведен в конце автореферата. Результаты работы докладывались на научной конференциях: Ломоносовские чтения (Москва, 2009), XI InternationalConference Hydrogen Materials Science & Chemistry of Carbon Nanomaterials (Yalta-CrimeaUkraine 2009), на инновационной выставке в рамках «Российского молодежного инновационного Конвента» (Москва, 2008), Конференция по физике плазмы и управляемому термо5ядерному синтезу (Звенигород, 2012).
Результаты исследований были опубликованы в видеотчетов и финансировались в рамках: федеральной целевой программы по теме «Разработкатехнологии получения линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) и разработка опытных образцов термоэлектрических преобразователей и источников света с применением нового наноматериала на основе ЛЦУ», (государственный контракт №5980р/8130 от 31.03.2008) , научно-исследовательских работ по теме: «Линейно-цепочечный углерод как материал для создания покрытия коллектора высокоэффективного термоэмиссионного преобразователя»(Соисполнители Заказчика по выполнению государственного контракта № 02.516.12.6004«Высокоэффективный термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок нового поколения»), государственного контракта №02.740.11.0229 на выполнение НИР по теме: «Исследование процессов в новых устройствахэлектроники на основе квантования переноса заряда и магнитного потока» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационнойРоссии» на 2009-2013 годы.Объем и структура диссертацииДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Диссертация содержит 147 стр., включая 77 рисунков, 5 таблиц и 105 библиографических наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна, научно-практическая значимость, приводится список публикаций потеме диссертации.Глава 1. Эмиссионные и инжекционные свойства поверхности и гетеропереходов.В данной главе приводится обзор как основных типов эмиссии с поверхности твердого тела, так и изучения инжекционных и транспортных свойств.1.1 Обзор различных типов электронной эмиссииВ данном параграфе содержится обзор литературных данных по изучению электроннойэмиссии с поверхности различных углеродных материалов.Приведены результаты исследований холодной эмиссии с нано- и микрокристаллическихматериалов - аморфного и нанокристаллического алмаза [1-10,11], микро- и нанографита6[10-13], нанотрубок [9.10,13.14], а также углеродных волокон на основе sp2-связей [15, 16,17].Углеродные материалы имеют сравнительно высокую работу выхода (4-5 эВ).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
