Эмиссионные и инжекционные свойства низкоразмерных углеродных материалов и гетероструктур на их основе (1105328), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поэтому электронная эмиссия из таких материалов, как правило, происходит по механизму туннелирования сквозь потенциальный барьер «твердое тело-вакуум» и хорошо описывается теорией автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма [18]:I ( E ) = AE 2 exp(− B / E )(1)где I - автоэлектронный ток, Е - напряженность поля на поверхности катода,8πϕ 3/ 2 2me3, B=θ ( E,ϕ )A=3he8π hϕ t 2 ( E , ϕ )ϕ - работа выхода, h - постоянная Планка, е - заряд электрона, m - масса электрона, t (E, ϕ)и θ ( E, ϕ) - специальные функции, которые определяются формой потенциального барьера.Как видно из (1), автоэлектронная эмиссия не зависит от температуры катода и определяется только напряженностью внешнего электрического поля, которое уменьшает ширину потенциального барьера на границе «твердое тело-вакуум».
Автоэлектронная эмиссия наблюдается в электрическом поле высокой напряженности Е > 107 В/см.Совершенно другой вариант эмиссии электронов наблюдался, к примеру, на пленкахаморфного алмаза [9], где имеет место механизм эмиссии по Шоттки, т.е. термоэлектронная эмиссия, усиленная электрическим полем. Это классический механизм надбарьернойэмиссии через потенциальный барьер на границе «твердое тело-вакуум». В этом случаеэмиссионный ток определяется работой выхода материала катода W, температурой Т иприложенным полем Е по формуле Дэшмана - Шоттки:31W − e 2E 2I ( E , T ) = AT t exp( −)kT2(2)где A- постоянная Ридчардсона, t – квантовомеханический коэффициент прохождения электронов над барьером, Е – приложенное внешнее поле, е – заряд электрона.
При этом наблюдавшаяся работа выхода в [9] была около 1 эВ, а ток эмиссии сильно зависел от температуры. Крутизна ВАХ в этом случае была 0,3 мА/кВмм-1 при напряженности электрическогополя 8,5 кВ/мм.Кроме холодной эмиссии, как показали последние исследования наноструктурированные углеродные пленки имеют высокий коэффициент вторичной эмиссии [19].Процесс вторичной эмиссии электронов можно подразделить на три этапа [20], связанных с:71. Потерями энергии электронов при движении в твердом теле - первичный электронтеряет энергию за счет одночастичных взаимодействий (образование электронно-дырочныхпар, за счет ионизации атомов решетки), а также за счет потерь на возбуждения коллективных электронных колебаний (плазмонов).2. Транспортом возбужденных горячих электронов к эмитирующей поверхности, который также связан с диссипацией энергии горячих электронов, как за счет электронэлектронных взаимодействий (ионизация) так и за счет электрон-фононного взаимодействия (термолизация) и возбуждения плазмонов.
Данный этап, определяется исключительноструктурными свойствами материала.3. Эмиссией электронов в вакуум через потенциальный барьер на границе раздела поверхность-вакуум.Исследования холодной эмиссии алмазных пленок показали, что при легировании поверхности водородом, работа выхода понижалась на 1.45эВ, а выход вторичных электроновувеличивался на порядок. Дальнейший анализ указал причины столь высокого коэффициента вторичной эмиссии на просвет (до 10) для алмаза, это: 1) широкая запрещенная зона(больше 5эВ), которая исключает потери энергии возбужденных электронов на генерациюэлектронно-дырочных пар, что позволяет низкоэнергетичным вторичным электронам выходить с больших глубин, 2) очень низкая или даже отрицательная энергия сродства поверхности, которая обеспечивает высокую вероятность выхода вторичных электронов.Отсюда следует, что высокие значения коэффициента вторичной эмиссии имеют материалы либо с большой длиной свободного пробега электронов в зоне проводимости (глубина выхода электронов) или низкую энергией сродства (работа выхода).
Например, диэлектрики типа MgO и Al2O3, имеют достаточно большую длину свободного пробега электрона(сравнимую с глубиной выхода возбужденных электронов) в зоне проводимости, низкуюэнергию сродства (меньше 1 эВ) и соответственно имеют самые высокие значения коэффициента вторичной эмиссии (свыше 10) [21].Таким образом, коэффициент вторичной эмиссии, который определяется выше перечисленными факторами, можно существенно увеличить за счет создания оптимальных условий для вторичной эмиссии:1) эффективный перенос возбужденных электронов к эмитирующей поверхности,2) высокий выход возбужденных электронов с поверхности материала в вакуум.Первый этап зависит только от подвижности электронов - проводимости материала.Второй этап зависит от величины работы выхода.
Высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии алмазных пленок, обусловлен только низкой работой выхода (благодаряотрицательному электронному сродству) так как подвижность электронов в алмазе (транс8порт электронов) очень низкая. В случае пленок ДУ ЛЦУ, высокий коэффициент вторичнойэлектронной эмиссии может быть обусловлен чрезвычайно высокой подвижностью электронов в одномерных углеродных цепочках.1.2 Обзор инжекционных свойств низкоразмерных гетероструктурПри рассмотрении проводимости структуры металл-пленочный диэлектрик-металлважно знать, что представляет собой контакт металл-диэлектрик. В данной главе характеризуются основные виды контактов: нейтральные, омические и выпрямляющие.
Диэлектрики,к которым относятся многие окислы переходных металлов, рассматриваются как широкозонные полупроводники с низкой концентрацией электронов при нормальных условиях.Одним из современных методов исследования электронной структуры и транспортныхсвойств тонких пленок является сканирующая туннельная спектроскопия (СТС), котораяпозволяет изучать локальную электронную структуру. В основе спектроскопии лежит зависимость туннельного тока от числа состояний N, образующих туннельный контакт поверхности и зонда в интервале энергий от уровня Ферми µ до µ-eV.
Туннельная вольтампернаяхарактеристика отражает число электронных состояний и их распределение в энергетическом спектре электродов, образующих туннельный контакт. Это дает возможность изучатьплотность состояний как в валентной, так и в зоне проводимости материала. Кроме этого вдифференциальной проводимости (dI/dU) проявляются электронные состояния в запрещенной зоне, связанные с дефектными и примесными состояниями.Таким образом, туннельная вольт-амперная характеристика гетероструктур определяется следующими факторами:-электронной структурой валентной зоны и зоны проводимости исследуемых плёнок,дефектными уровнями в запрещенной зоне;-транспортными свойствами исследуемой плёнки, которые в свою очередь определяются структурой и проводящими свойствами среды;-барьерными свойствами границы раздела металла подложки и плёнки.В заключении главы конкретизированы основные задачи диссертационной работы.Глава 2.
Описание экспериментальной частиВ этой главе описаны использовавшиеся в экспериментах приборы. Описана методикаприготовления исследуемых образцов и методики их аттестации. Анализ и аттестация полученных образцов проводилась методами электронной микроскопии, КР-, ИК-, фурьеспектроскопии, спектроскопии характеристических потерь электронов, просвечивающеймикроскопия, атомносиловой микроскопией и сканирующей туннельной спектроскопией.92.1 Описание методики приготовления и измерения образцов аморфного ЛЦУ.Образцы аморфного линейно-цепочечного углерода приготавливались методом дегидрогалогенирования поливинилиденхлоридного (ПВДХ) волокна с последующей термическим вакуумным отжигом при различных температурах. В качестве прекурсора использовалось волокно из сополимера ПВДХ:ПВХ диаметром 10 мкм.Отжиг проводился в муфельной печи, в атмосферных условиях до температуры порядка300оС, затем материал отжигался в диапазоне от 400 – 700оС в высоком вакууме (10-6 Тор,установка ВУП-5).
Вакуумный отжиг проводился в кварцевой трубке, с вольфрамовым нагревателем и установленной термопарой, по которой производился контроль за температурой отжига.Полученные образцы эмиттера из аморфного ЛЦУ наносились на металлическую подложку, которая помещалась в рабочий объем вакуумного универсального поста (ВУП-5)для проведения измерений вольтамперных (ВАХ) характеристик тока эмиссии на специальном стенде. Измерения ВАХ производились при помощи внешнего высоковольтного блокапитания в диапазоне напряжений от 0 до 5000 В.
Для проведения исследований влиянияионного облучения на эмиссионные характеристики аморфного ЛЦУ, использовалась стандартная приставка для ионного травления в ВУП-5. Травление осуществлялось ионами аргона с энергией 1 - 2 кВ и плотности тока от до 1 - 5 мА/см2.2.2 Описание методов приготовления и измерения пленок ДУ ЛЦУПленки ДУ ЛЦУ различной толщиной (10 – 500 нм), получались методом импульсноплазменного осаждения [22,23], на поверхности металлов и диэлектриков.Вторично-эмиссионные свойства пленок ДУ ЛЦУ исследовались в сверхвысоковакуумной установке фирмы Riber (10-9 Тор). Величина первичного тока электронов в проведенных измерениях не превышала 10 нА, что обеспечивало минимальное влияние электронногооблучения на структуру пленок ДУ ЛЦУ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
