Эмиссионные и инжекционные свойства низкоразмерных углеродных материалов и гетероструктур на их основе (1105328), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Измерения токов вторичных электронов проводились с использованием аналого-цифрового преобразователя со временем накопления, прикотором отношение сигнала к шуму составляло не менее 20. Соответственно погрешностьизмерения тока не превышала 5%.Измерения проводились в диапазоне энергий первичных электронов от 0.2 – 2.5 кэВ.Расстояние между образцом и первой вытягивающей сеткой составляло 1 мм, соответственно напряженность вытягивающего поля для вторичных электронов варьировалась от 0 до 2кВ/см.102.3 Описание метода приготовления и аттестации пленок поликристаллическогоЛЦУНапыление пленок поликристаллического ЛЦУ проводилось в специальной модифицированной вакуумной камере. Камера была снабжена четырьмя установочными фланцами,на которых крепились: источник ионов, работающий на разряде постоянного тока [24,25],электрические вводы диагностического оборудования, цилиндр Фарадея, служащего дляизмерения плотности ионного тока, энергоанализатор, служащего для измерения энергетического распределения ионов и измерителя толщины пленок.
На отдельном фланце в рядеэкспериментов крепится ВЧ индуктивный источник ионов [26]. Мишенью служила графитовая мишень 10 (марки МПГ-6) находящаяся под углом 45о к оси камеры. При напылениипленок использовалась ионная стимуляция ионами аргона.
Энергия ионов аргона составляла 0 - 200 эВ, плотность пучка ионов – изменялась в диапазоне 0.5-5 мА/cм2. Пленки напылялись на подложки металлов и диэлектриков.2.4 Методика измерений инжекционных и транспортных свойств углеродных гетероструктурПолученные гетероструктуры на основе ЛЦУ типа металл – углерод – металл исследовались контактным методом на стенде, схематически представленном на рис.1 и методомтуннельнойспектроскопиисиспользованиемтуннельногомикроскопаФЕМТОСКАН.Рис.1 Схема установки для измерения ВАХ пленок.Rx-сопротивление покрытия, Ry - измерительное сопротивление,V - входное напряжение, которое подается на сопротивления,Vy - измеряемое напряжение11СТМ-Глава 3.
Результаты проведенных исследований и их обсуждениеВ данной главе приводятся результаты проведенных исследований структурных, эмиссионных и инжекционных свойств гетероструктур на основе ЛЦУ.3.1 Структурные и эмиссионные свойства аморфного ЛЦУВ данном параграфе приведены результаты исследований структурных и эмиссионныхсвойств аморфного ЛЦУ и влияние на них термической обработки. На рис.2 показано влияние термической обработки на эмиссионные свойства аморфного ЛЦУ.
Из полученных результатов следует, что температурная обработка радикально влияет на основные эмиссионные характеристики - порог эмиссии и крутизну ВАХ.Анализ ВАХ показал идеальное спрямление в координатах Шоттки, что свидетельствует о надбарьерном механизме эмиссии, которая, в свою очередь, определяется работой выхода. Как было показано в [27], значение эффективной работы выхода напрямую связано сдлиной линейного фрагмента цепочки: чем меньше его длина, тем выше напряженностьвстроенного поля и соответственно меньше эффективная работа выхода. Таким образом,термическая обработка приводит к формированию линейно-цепочечных фрагментов с низкой работой выхода.При больших плотностях эмиссионного тока (порядка 1А/см2) происходила термическая графитизация эмитирующей поверхности (пробои), после которой эмиссионные характеристики резко ухудшались.
Ухудшение эмиссионных характеристик связано с перегревоми соответственно графитизацией отдельных эмитирующих элементов в результате которой,работа выхода возрастает на порядок.В связи с этим были проведены исследования влияния ионного травления на эмиссионные характеристики эмиттеров на основе ЛЦУ.
Травление проводилось ионами аргона сэнергией 1 кэВ и плотностью тока 3 мА/см2, оценочная глубина травления составила примерно 1 мкм. Результаты этих исследований представлены на рис.3, где хорошо видно, чтопосле травления аргоном, эмиссионные характеристики в значительной мере восстанавливаются. Иными словами, графитизированный поверхностный слой в результате травленияудаляется.12Рис.2. ВАХ образцов ЛЦУ для раз-Рис.3.
ВАХ исходного образца ЛЦУ, образ-личных температур обработкица после пробоя (термическая графитизация) до и после его травления аргономВ таблице 1 приведены значения эффективной работы выхода в зависимости от температуры вакуумного отжига. Определена оптимальная температура отжига аморфного ЛЦУпри которой формируется структура с минимальной работой выхода.Таблица 1Температура отжига, оС550600500Работа выхода, эВ0.530.590.623.2 Вторичная электронная эмиссия и транспортные свойства ДУ ЛЦУ3.2.1Вторично-эмиссионные свойства пленок ДУ ЛЦУВ этом параграфе представлены результаты исследований вторичной-электроннойэмиссии пленок ДУ ЛЦУ.Энергия первичных электронов изменялась от 100 до 2000 эВ.
Вторично-электроннаяэмиссия измерялась при различных вытягивающих напряжениях от 0 до 2000 В. При нулевом вытягивающем напряжении в исследуемом диапазоне энергий первичных электроновмаксимальное значение тока вторичных электронов составляло ≈ 2 от тока первичных электронов. При напряженности вытягивающего поля 10 кВ/см это значение равнялось ≈ 30, апри 20 кВ/см ≈ 50.
Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичныхэлектронов, имеет максимум (≈50) при энергии первичных электронов 400 эВ. При болеевысоких энергиях первичных электронов коэффициент вторичной эмиссии уменьшается на20-25% и практически не зависит от энергии.13Для выяснения причин столь высокого коэффициента вторичной эмиссии на просветпленок ДУ ЛЦУ были измерены энергетические спектры вторичных электронов. Энергетические спектры вторичных электронов имеют аномально большую ширину (0 – 25 эВ). Этоозначает, что вторично-электронная эмиссия определяется выходом электронов с возбужденных уровней, лежащих выше уровня вакуума.Таким образом вторичную электронную эмиссию на просвет в пленках ДУ ЛЦУ можнообъяснить следующими процессами:- возбуждением плазменных колебаний при движении первичных электронов вдоль цепочек (энергия плазмонов в ЛЦУ составляет 22 эВ),- генерацией возбужденных электронов в результате релаксации плазмонов,- заполнением возбужденными электронами высоколежащих состояний в зоне проводимости,- транспортом возбужденных электронов к эмитирующей поверхности и выходом вторичных электронов в вакуум.3.2.2 Транспортные и инжекционные свойства гетероструктур на основе ЛЦУЭксперимент проводился на микроскопе СТМ-ФЕМТОСКАН, в работе исследовалисьгетероструктурытипа:металл-поликристаллическийЛЦУиметалл-двумерноупорядоченный ЛЦУ.
На рис.4, представлены результаты исследования плёнкиполикристаллического ЛЦУ. Дифференциальная проводимость данной структуры имеетмаксимумы при напряжениях +0.7,+1 В и -1, -1.2 В. Кроме этого на полученной кривойвидно, что проводимость в диапазоне -0.2 до +0.2 В равна нулю. Это означает наличие запрещенной зоны в поликристаллическом ЛЦУ шириной ≈0.5 эВ. Полученное значение ширины запрещённой зоны согласуется с данными по оптическому поглощению. Максимумына кривой соответствуют пикам плотности состояний в валентной зоне и в зоне проводимости ЛЦУ. Следует отметить что, при напряжениях больше, чем 1.2 В наблюдается резкоеувеличение туннельного тока, которое видимо, связано с началом полевой эмиссии.На рис. 5 представлены результаты, полученные на плёнке двумерно-упорядоченногоЛЦУ толщиной 100 нм, напыленной на Ag контактную поверхность.Для этой структуры характерно наличие периодических ярко выраженные осцилляцийна кривой дифференциальной проводимости с периодом примерно 100 мВ.
Подобные осцилляции наблюдались в туннельных спектрах углеродных плёнок с нанокластерами металла [30] и связывались с туннельными одноэлектронными переходами между отдельнымиметаллическими кластерами, разделёнными диэлектрическим слоем углеродной плёнки(эффект кулоновской блокады).14dI/dU, нA/B6420-1,5-1,0-0,50,00,51,01,5U,BРис. 4 Дифференциальная проводимость структуры Ti-поликристаллический ЛЦУзонд100dI/dU, нA/B806040200-1,0-0,50,00,51,0U, BРис.5. Дифференциальная проводимость структуры Ag - ДУ ЛЦУ - зондВ нашем случае плёнка ДУ-ЛЦУ на 98 % является углеродной и имеет очень высокуюпроводимость вдоль цепочек и кулоновская блокада возникнуть не может. Кроме этого вструктурах нанометровых размеров, образуемых упорядоченными мономолекулярными15слоями, периодические осцилляции можно объяснить существованием волн зарядовойплотности (ВЗП), соизмеримых с периодом молекулярных решеток.
В результате туннельный ток в значительной степени может определяться энергетическими характеристикамиэтих состояний. Такая ситуация возможна в результате наличия регулярных дефектов (изгибов) в линейной цепочке. Тогда в ЛЦУ возможно возникновение волны зарядовой плотности, в которой на концах линейного фрагмента волновая функции электрона имеет нулевое значение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
