Эмиссионные и инжекционные свойства низкоразмерных углеродных материалов и гетероструктур на их основе (1105328), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Такая ситуация соответствует равенству длины линейного фрагмента половине длины волны де Бройля. Тогда, если считать среднее расстояние между атомамиуглерода 1.3 А, линейный фрагмент в ЛЦУ содержит 16 атомов.3.2.3. Создание прототипов твердотельных эмиссионных устройств на основе ЛЦУПроведенные исследования явились основой для создания активных элементов твердотельной электроники, механизмы работы которых основываются на инжекционных (эмиссионных) свойствах исследованных гетероструктур на основе ЛЦУ.Были изготовлены макеты гетероструктур, являющиеся прототипами твердотельныхэмиссионных устройств: лабораторный образец холодного эмиттера, лавинного диода, полевого и инжекционного транзистора.Образец холодного эмиттера представляет собой пленочную структуру металл - диэлектрик - ЛЦУ - металл.
В качестве катода использовались пленки следующих металлов –иттрий, титан, серебро. Диэлектриком являлась пленка алмазоподобного углерода (taC) сшириной запрещенной зоны порядка 3эВ. Пленки ЛЦУ имеют ширину запрещенной зоны вдиапазоне 1-1.5 эВ. Исследовались структуры с толщиной диэлектрической пленки от 2 нмдо 100 нм, пленки ЛЦУ с толщинами от 10 нм до 100 нм. Наиболее высокие инжекционныехарактеристики были получены на следующей структуре – иттрий (катод) – 50 нм taC (диэлектрик) – 50 нм ЛЦУ.16-5ток инжекции, А1,5x10-51,0x10I эмиссии = AT 2 exp( −-65,0x10eϕ − e 3 / 2 E)kT0,00246напряжение смещения, ВРис.
6. Вольт-амперная характеристика твердотельного инжекционного эмиттераТипичная вольтамперная характеристика данной структуре изображена на рис.6. Из рисунка видно, что пороговое напряжение (порог открывания) эмиссии данной структуры составляет примерно 3.5 В. При напряжении свыше 7 В вольтамперная характеристика имеетвид, типичный для режима пробоя полупроводникового диода. При меньших напряженияхвольтамперная характеристика имеет экспоненциальный вид, характерный для надбарьерной эмиссии по Шоттки (расчетная кривая приведена пунктирной линией на рис.6).Для интерпретации данных выводов экспериментальная вольтамперная характеристикабыла построена в соответствующих координатах (Шотки и Фаулера-Нордгейма).
Данныеизмеренные ВАХ показали превосходное спрямление в координатах Шоттки. Вычисленноезначение высоты потенциального барьера на границе иттрий - taC, полученное при экстраполяции ВАХ до нулевого значения напряжения смещения, составило 0.85 эВ. Используяэто значение барьера и диэлектрическую проницаемость taC была рассчитана зависимостьтока надбарьерной эмиссии от величины приложенного напряжения.
Расчетная кривая приведена на рис.6 пунктирной линией. Сравнение показывает, что до напряжения смещения6.5 эВ теоретическая кривая идеально совпадает с экспериментальной вольтамперной характеристикой эмиттера, а начиная с 7 эВ экспериментальная зависимость имеет вид, соответствующий режиму пробоя. Это означает, что при низких напряжениях смещения ток через структуру определяется током надбарьерной эмиссии на границе раздела металл- taC. Врезультате электроны, инжектируемые в пленку ЛЦУ через taC, имеют энергию (3.5эВ)достаточную для генерации в ЛЦУ (ширина запрещенной зоны 1эВ) электрон - дырочных17пар.
При этом возможно лавинообразное увеличение числа электронов в зоне проводимостиЛЦУ, что приводит к усилению тока инжекции.С целью создания полевого транзистора проводились исследования полевого эффекта впленках ДУ ЛЦУ как в продольном, так и в поперечном направлении. На рис.7а показаносхематическое изображение структуры для изучения полевого эффекта в поперечном направлении.Толщина пленки составляла 500 А. Пленка напылялась на поверхность подложки изсапфира. Электрическое поле создавалось двумя затворами из алюминия, осажденного пообоим сторонам пленки и отделенными от нее диэлектрическими зазорами. В качестве истока и стока использовались алюминиевые контакты.ВАХ изготовленной структуры для различных значений потенциала затвора Vz представлены на рис.7б.
Из рисунка видно, что проводимость пленки зависит от приложенногонапряжения на затворе, что свидетельствует о наличии эффекта поля.Следующая гетероструктура была создана на основе пленки ЛЦУ, в которой управление током вдоль цепочек осуществлялось с помощью электрического поля подаваемого вперпендикулярном цепочкам направлении. На рис.8 представлены фотография макета (а) иструктура, состоящего из 5 триодов, которая представлена на рис. 8 (б).
Толщина пленкиЛЦУ составляет 300 нм. В качестве эмиттера и коллектора использовались тонкие пленкиAl. Пленка ЛЦУ напылялась между двумя диэлектрическими слоями из пленок аморфноготетраэдрического углерода taC. Потенциал на пленку ЛЦУ подавался с управляющего электрода. При приложении разности потенциалов между коллектором и эмиттером через данную структуру возникал ток (рис.9 черная линия), типичный для такого рода структур. Приподачи на управляющий электрод отрицательного потенциала инжекционный ток уменьшался в несколько раз (рис.9 пунктирная кривая).Полученные результаты свидетельствуют о том, что на инжекционные свойства структуры металл – диэлектрик - ЛЦУ зависят от величины электрического поля, приложенногоперпендикулярно цепочкам.
При подаче отрицательного потенциала относительно катода,возрастает барьер на границе металл – диэлектрик, что и приводит к уменьшению инжекционного тока.На основе исследования различных гетероструктур на основе ЛЦУ созданы так же лабораторные макеты резонансного, лавинного диодов и трехэлектродных устройств с транспортом электронов поперек цепочек (полевой транзистор) и транспортом вдоль цепочек(инжекционный транзистор).18idraстокahσзатворtgистокsourcgзатворt1sp1film-углеродаspпленка-carbon2110+40100+20+100-2 0-4 09080I, 10-12A70б605040+100302010-1 0 0-2 0 00050100150200U, VРис.
7. Структурная схема макета полевого транзистора (а), Вольт-амперные характеристики при различных значениях напряжения смещения (б)Рис. 8. Фотография макета из пяти триодов (к – коллектор, у – управляющий электрод, э – эмиттер) а) и их структура б)19ток эмиттер-коллектор, нА80U b=060U b=-340200-20-40-60-80-3-2-10123напряжение эмиттер-коллектор, ВРис. 9. ВАХ триода при нулевом напряжении на базе (сплошная кривая) и -3 В (пунктирная кривая)3.3 Структурные и инжекционные свойства поликристаллических пленок ЛЦУПриведены результаты исследования пленки поликристаллического ЛЦУ в просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением.
Из рис. 10 видно, что пленкаимеет высокоразвитую поверхность, состоящую из нанокристаллов с характерным размером 20 нм.Дифракционные картины (рис. 10) отчетливо показали семь колец, что свидетельствуето поликристаллической структуре полученных углеродных пленок. Рассчитанные межплоскостные расстояния не соответствуют структурам как графита, так и алмаза. С другой стороны полученные результаты превосходно совпадают с результатами работы [31], что свидетельствует о карбиноподобной структуре пленок.ДополнительнаяинформацияоструктуреобразцаполученаметодомКР-спектроскопии.
Характерной особенностью КР-спектра исследуемой пленки является наличие интенсивного пика в диапазоне частот 2000-2100 см-1, который соответствует колебаниям sp1 связей в кумуленовых и полииновых цепочек [32]. Данная пленка является поликристаллической формой ЛЦУ.Исследовались инжекционные и транспортные свойства в структуре металл – ЛЦУ –металл, как вдоль, так и поперек пленки. Измерения показали, что удельное сопротивлениевдоль структуры определяется контактом металл – ЛЦУ – металл и составляет 102 Ом см, аудельное сопротивление поперек структуры составляет 105 Ом см. Таким образом, анизо20тропия проводимости пленки поликристаллического ЛЦУ составило 103.
Для сравненияанизотропия проводимости ДУ ЛЦУ составляет 106.Рис.10. а), б), в) изображение пленки в просвечивающем микроскопе при различном увеличении и с) картина электронной дифракции пленки.В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертационной работы:1. Проведено комплексное исследование наноструктурированных углеродных пленоксинтезированных методами ионно-плазменного и ионно-стимулированного осаждения на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков, методами электронной микроскопии,рамановской спектроскопии и туннельной спектроскопии, которое показало, что структураполученных пленок основана на одномерных sp1 – связях.2.
Контактным методом и методом туннельной спектроскопии исследованы инжекционные и транспортные свойства полученных структур. Изучение электропроводности показали анизотропию проводимости (отношение проводимости вдоль и поперек структуры)пленок ЛЦУ: от 103 (для поликристаллического ЛЦУ) до 106 (двумерно-упорядоченныйЛЦУ).213. Эмиссионные свойства аморфного ЛЦУ объяснены с использованием механизмаэмиссии по Шоттки. Полученное низкое значение эффективной работы выхода объяснено наличием встроенного электрического поля в одномерных цепочках, обусловленногоналичием оборванных или деформированных связей на концах цепочек.4.
Показано, что вторично - эмиссионные свойства пленок ДУ ЛЦУ определяются высокими транспортными свойствами (высокой подвижностью связанной с баллистическиммеханизмом проводимости) линейных цепочек и коэффициент вторичной эмиссии достигает максимального значения 50 (при напряженности поля ≈ 2 кВ/см).5. На основе установленных в работе электрофизических и структурных свойствизученных структур, смоделированы и изготовлены макеты гетероструктур на основе ЛЦУ(холодный эмиттер, лавинный диод, полевой и инжекционный транзисторы) и исследованыих функциональные свойства: порог открывания, крутизна вольтамперной характеристикии т.д. На основании исследования транспортных и инжекционных свойств определеныоптимальные параметры данных гетероструктур.Публикации по теме диссертацииРезультаты проведенных исследований опубликованы в виде следующих статей и тезисов докладов конференций:1. Хвостов В.
В., Гусева М. Б., Александров А. Ф., Тагаченков А. М., Стрелецкий О. А. //Структурные и эмиссионные свойства аморфного линейно-цепочечного углерода // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2012, Т. 39, №2, с. 40-492. Хвостов В. В., Стрелецкий О. А., Якунин В. В., Иваненко И. П., Кралькина Е. А.,Павлов В. Б. // Свойства углеродных пленок с высокой анизотропией проводимости // Вестник московского университета, серия 3, Физика. Астрономия, 2012, №1, с. 78-823.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
