Электронная спектроскопия микро-и наноструктур в сильном электрическом поле

Одно из ведущих мест среди методов исследования твердых тел и их поверхности принадлежит методам электронной спектроскопии. Изучение электронных свойств микрои наноструктур (сверхтонкие полупроводящие и диэлектрические пленки, нанотрубки, наноразмерные в объеме частицы) является важной, но чрезвычайно сложной задачей физической электроники, которая продиктована потребностями современных отраслей науки и техники таких, как микрои наноэлектроника, квантовая электроника, кристаллография и многих других. Важное место среди характера электронных свойств материалов имеют энергетические спектры и угловые распределения эмитированных электронов из твердого тела при различных внешних воздействиях, которые содержат важную информацию об элементном составе, геометрическом строении, электронных свойствах и фононном спектре исследуемых объектов. Важнейшими среди всего многообразия электронных свойств материалов являются следующие: дисперсия электронов по энергиям, процессы локализации-делокализации электронов на поверхностных состояниях, транспортные явления. Все они находятся в тесной связи с химическим и фазовым составом, а также геометрической структурой твердых тел.

Среди множества экспериментальных методов, используемых для исследования электронных свойств твердых тел, особое место занимает полевая электронная спектроскопия — метод, отличающийся высокой информативностью и чувствительностью. Эти качества обусловлены самим явлением полевой эмиссии электронов — сохранением невозмущенного состояния электронов после туннелирования из твердого тела через барьер в вакуум. При этом сам метод позволяет рамках одного эксперимента одновременно производить измерение энергетического распределения электронов и наблюдать изображения эмитирующей 6 поверхности образца с высоким пространственным разрешением. Кроме этого, при снятии энергетического распределения электронов оказывается возможным зондирование эмитирующей поверхности в нанометровом масштабе.

Метод полевой электронной спектроскопии реализуется в сильных электрических полях. Вместе с тем вид кривой энергетического распределения электронов зависит от величины приложенного электрического поля, температуры образца, проводимости, плотности эмиссионного тока, внешнего излучения, состояния эмитирующей поверхности. От этих параметров может зависеть также и угловое распределение эмитированных электронов. Поэтому проведение электронной спектроскопии в сильном электрическом поле при изменении параметров образца и различных внешних воздействиях дает возможность получить информацию фундаментального характера об электронных свойствах образца и процессах, протекающих на его поверхности.

Особо актуальным для современной науки и техники является изучение закономерностей процесса эмиссии электронов из новых материалов, например, наноструктурированных металлов и углеродных материалов. Наиболее известными примерами таких материалов являются металлы подвергнутые интенсивной пластической деформации, алмазоподобные пленки, фуллерены, углеродные нанотрубки, полимерные пленки и углеродные волокна. Например, для алмазоподобных пленок до сих пор точно не установлен механизм переноса электронов через слабо проводящие алмазоподобные слои и их последующей эмиссии в вакуум. То же можно сказать и полимерных пленках. Уникальные физико-химические характеристики этих материалов делают их перспективными для создания точечных источников электронов для рентгеновских и электронно-зондовых устройств, сверхминиатюрных вакуумных ламп, плоских дисплеев и т. д. Вместе с тем, экспериментальных работ по 7 изучению электронных свойств указанных материалов методом полевой электронной спектроскопии чрезвычайно мало, а по некоторым и вовсе нет, потому проведение подобных исследований представляется актуальным.

Цель работы состояла в развитии методов эмиссионной электронной спектроскопии в сильных электрических полях и их использовании для исследования закономерностей полевой электронной эмиссии из микрои наноструктурированных материалов различной природы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработаны и изготовлены новые (на момент их создания) установки для исследования энергетического распределения электронов по энергиям в сильном электрическом поле и развита методика проведения таких исследований, обеспечивающие получение достоверных экспериментальных данныхизучено влияние условий осуществления полевой эмиссии (величины электрического поля, плотности эмиссионного тока, температуры и состояния эмитирующей поверхности) на энергетические распределения электроновисследованы закономерности полевой электронной эмиссии из наноструктурированных и углеродных материалов, а также влияние структуры поверхности на эмиссионные свойства этих материаловпроверена адекватность известных физических моделей, позволяющих определить возможности практического использования полевых эмиттеров в различных электрофизических устройствах. Научная новизна работы.

1. Проведены детальные исследования закономерностей энергетического распределения электронов, эмитируемых из вольфрама при высоких плотностях эмиссионного тока. Предложен физический механизм, объясняющий возникновение низкои высокоэнергетических «хвостов» в 8 кривых распределения и создана расчетная модель распределения электронов по полным энергиям при разных величинах плотности эмиссионного тока.

2. Предложен способ определения функции распределения электронов по поперечным составляющим импульса при выходе электрона из поверхности эмиттера в вакуум. Показана возможность адекватного определения закона дисперсии электронов в металлах с использованием распределения электронов по поперечным составляющим импульса и распределения электронов по полным энергиям с зондируемого участка поверхности эмиттера.

3. Экспериментально исследованы эмиссионные характеристики алмазоподобных пленок, впервые полученных ионно-лучевым осаждением на вольфрамовых остриях, и предложена феноменологическая модель эмиссии из структуры металл-алмазоподобная пленка.

4. Впервые исследованы эмиссионные свойства полимерной (полидифениленфталид) пленки в сильных электрических полях и определено эффективное значение электронной работы выхода системы металл-полимер, оказавшееся равным всего 0.4 эВ. Исследованы зависимости кривых энергетического распределения электронов из полимерной пленки, нанесенной на металлическую поверхность, от величины эмиссионного напряжения и доказано образование канала проводимости, индуцированного сильным электрическим полем. Научная и практическая ценность работы.

Разработано и создано несколько модификаций анализаторов энергии электронов и установок для реализации метода полевой электронной спектроскопии. Так, изготовленный дисперсионный анализатор энергий электронов позволял зондировать поверхность образца в нанометровом масштабе и получать, кроме распределения электронов по полным энергиям, также и распределения электронов по поперечным 9 составляющим скорости. Совокупность кривых распределения электронов по полным энергиям и распределения по поперечным составляющим скорости дает возможность определить закон дисперсии электронов в металлах.

Результаты проведенных экспериментальных исследований энергетического распределения электронов из вольфрама при высоких плотностях эмиссионного тока и расчетов, выполненных по предложенной модели, являются неотъемлемой частью разработки любых электронно-зондовых устройств с точечными полевыми эмиттерами.

Доказаны преимущества метода ионно-лучевого осаждения для получения тонких углеродных плёнок с алмазной структурой и малым содержанием примесей на поверхностях металлических острий. Предложенный метод является оптимальным для изготовления полевых эмиттеров с алмазоподобными покрытиями. Определены оптимальные с точки зрения стабильности и величины тока эмиссии характеристики алмазоподобных плёнок: толщина покрытия, энергия и доза осаждаемых частиц, рабочее напряжение. Развитая в работе методика полевой электронной спектроскопии из металлических острий, покрытых полупроводящей (алмазоподобной) плёнкой, может быть рекомендована для изучения эмиссионных свойств систем металл-полупроводник и металл-диэлектрик.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Результаты расчетов, конструкции анализаторов электронов по энергиям и комплексная измерительная установка для проведения электронной спектроскопии в сильных электрических полях с возможностью одновременного наблюдения эмитирующей поверхности в нанометровом масштабе.

2. Методика измерения распределения электронов по поперечным составляющим импульса при полевой эмиссии из атомарно-гладкой поверхности металла.

3. Протяженность и интенсивность высокоэнергетических «хвостов» экспериментального распределения электронов по полным энергиям из металла при высоких плотностях эмиссионного тока зависит только от величины плотности эмиссионного тока. Теоретическое обоснование механизма возникновения низкои высокоэнергетических «хвостов» распределения электронов по энергиям и процедура расчета парного кулоновского взаимодействия электронов в вакууме, подтверждающие результаты экспериментальных исследований.

4. Наличие неравновесного нанокристаллического состояния металла приводит к качественному изменению кривой распределения по полным энергиям электронов при полевой эмиссии. Эмиссия электронов из областей, содержащих границы микрозерен, сопровождается появлением дополнительного пика на энергетическом распределении электронов ниже основного пика в окрестности уровня Ферми, соответствующего равновесному состоянию объема металла.

5. Технология осаждения тонких углеродных пленок на вольфрамовых остриях и результаты исследования закономерностей электронной эмиссии из системы металл-алмазоподобная пленка методом полевой электронной спектроскопии.

6. Совокупность результатов исследования эмиссионных характеристик системы металл-полимерная (полидефинелинфталид) тонкая пленка, показывающих аномальное низкое значение работы выхода (0,4 эВ) и образование канала проводимости, индуцированного внешним сильным электрическим полем.

Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на отечественных и международных симпозиумах, конференциях и школах: на XVII, XIXXXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Ленинград, 1978, 1990; Ташкент, 1984; Киев, 1987), на VIII Всесоюзной научно-технической конференции по электронной технике (Ленинград, 1981), на V Всесоюзном симпозиуме по не накаливаемым катодам (Томск, 1985), на Всесоюзной школе-семинаре по эмиссионным явлениям (Валдай, 1986), на XII — XIII Международном семинаре по физике поверхности (Вроцлав, ПНР, 1987, 1989), на XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987), на Межотраслевом совещании по полевой эмиссионной микроскопии (Харьков, 1989), на IVV Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998,2000), на Международном семинаре «Дислокации и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 1999), на III Международной конференции по оптике заряженных частиц (Тулуз, Франция, 1990), на Международной конференции по вакуумным источникам электронов (Эйндховен, Нидерланды, 1996), на Международном конгрессе по вакуумной микроэлектронике (С-Петербург, 1996), на Международных симпозиумах по полевой эмиссии (Осака, Япония, 1987; Руан, Франция, 1994; Москва, 1996; Питсбург, США, 2000; Берлин, Германия, 2001; Вена, Австрия, 2004), на V Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», (С-Петербург, 2006).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 37 работ в реферируемых научных журналах и кроме этого в сборниках тезисов докладов научных конференций и симпозиумов. Список основных публикаций по теме работы приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором, начиная с 1978 года. Личный вклад автора в работах, опубликованных с соавторами, заключается: — в постановке задач, формулировке основных экспериментальных и теоретических методов их решенияв создании экспериментальной установки и проведении экспериментальных исследованийв анализе полученных экспериментальных результатов и их интерпретациив разработке теоретических моделей исследуемых объектов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Все главы имеют вводную часть, в которых сформулированы основные цели по данной главе. Общее заключение написано в конце диссертации. Там же приведен список публикаций автора и список цитируемой литературы из 311 наименований. Объем диссертации составляет 340 страниц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М. Автофотоэлектронный умножитель в одноэлектронном режиме. // Электронная техника. Сер.4, № 3, 1980, с.17−20.

2. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М. Временные характеристики канального умножителя ВЭУ-6. // Приборы и техника эксперимента. № 1, 1982, с. 145.

3. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М. Полевая зависимость тока автофотоэлектронной эмиссии из вольфрама. // Поверхность. № 10, 1984, с.41−43.

4. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М. Анализатор энергетического спектра автоэлектронов. // Приборы и техника эксперимента. № 3, 1982, с.212−216.

5. Бахтизин Р. З., Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Автоматизированная установка для снятия В АХ тока полевой электронной эмиссии. // Приборы и техника эксперимента. № 3, 1985 г. с.211−212.

6. Бахтизин Р. З., Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Автоматизированная установка для снятия ВАХ автоэмиссионных катодов. // Измерительная техника. № 10, 1986, с.51−52.

7. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М. Исследование высокоэнергетического края распределения автоэлектронов по полным энергиям. // Поверхность. № 7 1987, с.51−55.

8. Бахтизин Р. З., Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Управляющий вычислительный комплекс для исследования энергетического распределения автоэлектронов. // Приборы и техника эксперимента. № 4, 1987, с.247−248.

9. Юмагузин Ю. М. Энергетическое распределение автоэлектронов из вольфрама при высоких плотностях тока. Автореф. диссертации к.ф.-м.н. Ленинград, 1988.

10. Бахтизин Р. З., Фурсей Г. Н., Птицын В. Э., Юмагузин Ю. М. Эмиссионные характеристики автокатодов с локализацией эмиссии в малых телесных углах. // Известия Академии наук СССР. № 7, Т.52, 1988, с, 1250−1253.

11. Бахтизин Р. З., Юмагузин Ю. М High-Energy Tails in the Total Energy Distribution of Field Emitted Electrons from Tungsten. // Phys. Stat. Sol. B, 150, 103, 1988, p.103−108.

12. Бахтизин P.3., Месяц В. Г., Шкуратов С. И., Юмагузин Ю. М Peculiarities of field electron emission from high-temperature super-conductors. // Gournal de Physigue. T. 49, G6, 1988, p.495−500.

13. Бахтизин P.3., Кучербаев Г., Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Расчет траекторий электронов в электростатических линзах. // Радиотехника и электроника. № 7, 1988, с. 1556−1558.

14. Бахтизин Р. З., Месяц В. Г., Шкуратов С. И., Юмагузин Ю. М. Энергетические спектры автоэлектронов из высокотемпературных сверхпроводников. // Физика металлов и металловедение. Т. 67, № 3, 1989, с.610−611.

15. Гоц С. С., Бахтизин Р. З., Суворов A. JL, Юмагузин Ю. М., и др. Низкочастотные флуктуации автоэлектронного тока системы двуокись урана остаточные газы. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 2, 1992, с. 87−92.

16. Бахтизин Р. З., Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю. М. Механизм роста и структура аморфных углеродных пленок, полученных методом химического парофазного осаждения. // Вестник БашГУ — Уфа, № 3(1), 1998, с.12−14.

17. Зубаиров JI.P., Литвинов Е. А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю. М. Исследование электронной структуры субмикрокристаллического никеля методом полевой электронной спектроскопии. Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах: Сб. статей в 3-х томах Т.1. // БашГУУфа, 1999.

18. Зубаиров Л. Р., Мусалимов Р. Ш., Мулюков P.P., Юмагузин Ю. М. Особенности полевой электронной эмиссии из субмикрокристаллического никеля. Сборник научных трудов. Екатеринбург // УрО РАН, 1999, с.278−285.

19. Бахтизин Р. З, Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю. М. Рост алмазных кристаллитов при ионно-лучевом осаждении углеродных пленок. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 10, 2000, с.9−12.

20. Бахтизин Р. З, Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю. М. Энергетическое распределение электронов, эмиттированных из алмазной пленки под действием сильного поля. // Письма в ЖТФ, т.25, вып. 15, 1999, с.46−52.

21. Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю. М. Влияние тонкого алмазоподобного покрытия на эмиссионные характеристики вольфрамовых острий. // Письма в ЖТФ, т.26, вып.2, 2000, с.72−76.

22. Зубаиров Л. Р., Литвинов Е. А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю. М. Влияние формирования субмикрокристаллической структуры на полевую электронную эмиссию никеля. // ДАН России, т.372, № 3, 2000, с.319−321.

23. Зубаиров Л. Р., Литвинов Е. А, Ивченко В. А, Мулюков Р. Р, Юмагузин Ю. М. Полевая эмиссия из субмикрокристаллического вольфрама. // Письма в ЖЭТФ, т.72, вып.5, 2000, с.377−381.

24. Бахтизин Р. З., Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Эмиссионные свойства углеродного ПАН волокна. // Поверхность. Физика, Химия, Механика. № 8, 2000, с.53−58.

25. Пшеничнюк С. А, Юмагузин Ю. М. Химическая чистота алмазоподобных пленок, полученных методом ионно-лучевого осаждения. // ЖТФ, т.71, вып. 10, 2001 с.99−103.

26. Лобанов В. М., Юмагузин Ю. М. Термополевая перестройка углеродного кристаллита. // Письма в ЖТФ, т.28, вып.1, 2002, с.3−10.

27. Mulyukov R.R., Litvinov Е.А., Yumaguzin Y.M. et all. Characteristics of Field Emission from Nanocrystalline Materials. // Physica B: Condensed Matter, Vol. 324, 2002, pp. 329−335.

28. Лобанов B.M., Юмагузин Ю. М. Эмиссионные свойства углеродного нанокристаллита. // ФТТ, т.44, вып. З, 2002, с.462−463.

29. Pchenichnyk S.A., Yumaguzin Y.M. Field emission energy distribution of electrons from tungsten tip emitters coated with diamond-like film prepared by ion-beam deposition. // Diamond and Related Materials. 13, 2004, p. 125−132.

30. Lachinov A.N., Kornilov V.M., Yumaguzin Yu.M. Electron emission from polimer films under eiectric-field influence. // Journal of the SID, 12/2, 2004, p.149−151.

31. Пшеничнюк C. A, Юмагузин Ю. М. Энергетические распределения электронов, эмитированных с поверхности вольфрамовых острий, покрытых алмазоподобными пленками. // ЖТФ, т.74, вып.5, 2004, с. 105 112.

32. Зубаиров Л. Р., Ивченко В. А., Мулюков P.P., Юмагузин Ю. М. Расшифровка сложных спектров электронов автоэмиссии для катодов с неоднородной работой выхода. // ЖТФ, т.74, вып.6, 2004, с.96−101.

33. Мулюков P.P., Юмагузин Ю. М. Работа выхода электронов из нанокристаллического вольфрама. // ДАН России, т.399, № 6, 2004, с.760−762.

34. Ю. М. Юмагузин, В. М. Корнилов, А. Н. Лачинов. Энергетические распределения электронов в системе металл-полимер-вакуум. // ЖЭТФ, Т. 130, вып.2, 2006, с.303−308.

35. Бахтизин Р. З., Лобанов В. М., Холин Н. А., Чубаров В. Т., Юмагузин Ю. М. Способ изготовления острийных автоэмиттеров и устройство для его осуществления. // А.С. № 1 482 468 от 22.01.89.

36. Лачинов А. Н., Салазкин С. Н., Юмагузин Ю. М. Применение электроактивных полимеров класса полигетероариленов в качестве покрытий, обладающих повышенной эмиссионной способностью. // Патент РФ. № 2 237 313, от 27.09.2004.

37. Лачинов А. Н., Салазкин С. Н., Юмагузин Ю. М. Полевой эмиссионный катод и способы его изготовления. // Патент РФ. № 2 271 053, от 27.02.2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе проведен подробный анализ распределений электронов по полным энергиям и по энергиям от составляющих скорости электрона при туннелировании, выражение для «поперечного» распределения получено впервые. Этот результат, в принципе, может являться началом развития новой экспериментальной методики — полевой эмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. В работе рассчитаны соотношения для углового распределения и перевода его на распределение электронов по «поперечным» энергиям. Представлена экспериментальная модель и методика для измерения углового распределения электронов. Оценены вклады линзового эффекта, сферической аберрации, дифракции на угловое распределение и установлено, что эти вклады имеют меньшее влияние. Методика экспериментального измерения углового распределения с одновременной полевой электронной микроскопией и измерением распределения по полным энергиям, может дать более полную информацию об электронных свойствах образцов.

Главным элементом экспериментальной электронной спектроскопии, естественно, является анализатор энергий — его свойства, параметры. С целью создания полевого электронного спектрометра проведен анализ существующих конструкций анализаторов. Обращается внимание на то, что кроме основных параметров (разрешение, анализируемый энергетический диапазон, чувствительность, быстродействие) необходимо добавить также возможность изготовления элементов электродной системы и его сборка в обычных лабораторных условиях, простота юстировки при перемещении эмиттера и удобство работы с анализатором.

Рассчитанные и изготовленные по оптимально выбранным конструкциям экспериментальные приборы не уступают по своим параметрам известным современным полевым электронным спектрометрам. При разработке анализаторов освоенные методы расчета.

306 электронных траекторий в электронно-оптической системе, что касается в большей степени анализатора с дисперсионным элементом, позволили лучше понимать работу анализатора и варьировать при необходимости его взаимозависимыми характеристиками такими, как, разрешение, полный анализируемый ток, энергетический и динамический диапазоны. Рассчитаны и реализованы оригинальные конструкции анализаторов электронов по энергиям с задерживающим полем и дисперсионным элементом.

Возможность совмещения двух экспериментальных методов в одном приборе, измерение распределения по полным энергиям и измерение углового распределения — «поперечного» энергетического распределения, является вообще уникальным.

Большое внимание в работе уделялось системе регистрации анализируемого тока в зонде, режимам работы детекторов и современным средствам программного измерения и обработки результатов с помощью персональных компьютеров. Поскольку работа выполнялась достаточно долго и поэтому охватила все типы ПК, начиная от «Электроника-60» и заканчивая сегодняшними более мощными персональными компьютерами. Создана экспериментальная установка и разработана методика измерения энергетического распределения электронов с помощью измерительно-вычислительного комплекса.

Результаты работ, посвященных исследованию энергетического распределения электронов при термои фотополевой электронной эмиссии могут дать информацию о взаимодействии возбужденных электронов с потенциальным барьером на поверхности металла в широком диапазоне энергий. Исследование энергетического распределения электронов также могут быть успешно использованы для изучения температурной зависимости работы выхода.

В данной работе экспериментально исследовано энергетическое.

307 распределение электронов из вольфрама в кристаллографических направлениях {112}, {111}, {116} в высокоэнергетической области энергий при различных значениях эмиссионного напряжения. Проведен анализ экспериментально полученных результатов и установлено, что данные, аналогичные результатам экспериментальных работ других авторов [77, 82, 85], плохо согласуются с существующими теориями многочастичного туннелирования [76, 79] и теорией, связанной с конечностью времени жизни электрона [80]. Впервые обоснована необходимость учета статистического характера электронной эмиссии для объяснения экспериментально наблюдаемых отклонений энергетического распределения электронов в области низких и высоких энергий относительно уровня Ферми. Впервые проведен расчет парного взаимодействия электронов в вакууме. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными и позволяют удовлетворительно описать поведение энергетического распределения электронов как в области высоких, так и низких энергий и дают, тем самым, объяснение высокои низкоэнергетических «хвостов» функции распределения.

Принятое в исследовании представление об углеродном ПАН-волокне как об углеграфитовом материале, состоящее из аморфной и кристаллической фазы, позволяет распространить полученные результаты и на другие углеграфитовые материалы, такие как, стеклоуглерод, пироуглерод и другие. В частности, может быть обобщена модель полевой эмиссии электронов из кристаллита ПАН УВ-эмиттера, связывающая механизм проникновения электрического поля в его приповерхностную область с появлением аномально широкого энергетического распределения электронов с дополнительным максимумом.

Полученные результаты по термической зависимости плотности поверхностных электронных состояний позволяют объяснить более.

308 широкую, по сравнению с металлами, форму спектров не только разогревом электронов проникающим полем, что находится в согласии с результатами других исследователей, но также и влиянием поверхностных электронных состояний, уменьшающих поток электронов, эмитирующих с энергиями вблизи уровня Ферми.

Ясно, что объяснения механизмов изучавшихся в работе явлений носят качественный характер. Для более детального описания этих явлений нужны дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования эмиссионных свойств углеграфитовых эмиттеров. В частности, необходимы детальные исследования по анализу распределения по энергиям при адсорбции-десорбции кислорода, при прогревах разной длительности и температуры, при низких температурах, сравнительные исследования поверхностной диффузии атомов углерода в обоих состояниях эмитирующего кристаллита, исследования по самопроизвольной и термополевой перестройке в полевом ионном микроскопе. Необходимо отметить, что обнаруженное явление термополевой перестройки углеграфитовых кристаллитов интересно и с практической точки зрения как их пластическое поведение при температурах ниже 1000 °C.

Одним из перспективных материалов в современной науке и технике является углеродосодержащие материалы (фуллерены, углеродные нанотрубки, алмазоподобные пленки, полимерные пленки). Перспективность их использования продиктована не только в эмиссионной электронике, но и во многих других областях электроники и т. д. В связи с этим, особо актуальным является экспериментальное исследование их электронных свойств.

Ниже перечислены задачи, решённые при выполнении данной работы для достижения поставленной цели. Основные из них сводятся к следующим:

1. При выполнении работы проведён обзор большого количества литературы, как монографий, так и статей российских и зарубежных авторов и исследовательских групп, посвящённых получению и исследованию алмазоподобных плёнок на различных подложках всевозможными методами. Особый интерес здесь представляют работы, связанные с полевой электронной эмиссией катодов, изготовленных на основе углеродных покрытий, поскольку эта область применения алмазных плёнок бурно развивается и требует обобщения накопленных экспериментальных данных. В диссертации приведено множество ссылок, полезных специалистам, занимающимся получением алмазных плёнок и исследованием их структуры, массового состава, электрических и оптических свойств.

2. Собраны установки для получения углеродных конденсатов методом химического парофазного осаждения с использованием высокочастотного безэлектродного тлеющего разряда и горячей нити для возбуждения плазмы рабочего газа над поверхностью подложки. Напылены покрытия на полупроводниковые, металлические и изолирующие поверхности. Исследованы структурные свойства плёнок методами сканирующей электронной микроскопии, электронной дифракции и рентгеноструктурного анализа. Получены данные по проводимости алмазоподобных плёнок на постоянном токе, их оптическим свойствам. Массовый состав образцов исследован с использованием метода вторично-ионной масс спектроскопии. Исследовано влияние условий осаждения (температуры нити накала, энергии разряда, рабочего давления, температуры подложки, степени остаточного вакуума и т. д.) на физические свойства получаемых плёнок. На основе накопленных экспериментальных данных выбран метод осаждения углеродных покрытий на полевые эмиттеры в виде очень тонких металлических острий.

3. Разработана и собрана экспериментальная установка для осаждения алмазоподобных плёнок методом ионно-лучевого осаждения. Этот этап включал в себя: a) сборку высоковакуумной установки, обеспечивающей давление остаточных газов не более 10″ 9 Topp при использовании средств безмаслянной откачки на основе магниторазрядного насоса ТРИОН НМТО-О.1−1. Предварительный вакуум в системе создавался турбомолекулярным насосом ВМН-150М, откачиваемым с помощью механического форвакуумного пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ. Установка также снабжалась системой прогрева с целью обезгаживания рабочей камеры при смене образца. b) разработку и изготовление источника положительных ионов углерода типа дуоплазмотрон с системой охлаждения разрядной камеры и напуска рабочего газа с использованием пьезокерамического натекателя. Весь узел собирался на отдельном фланце с целью присоединения к вакуумной системе. Конструкция катодного узла дуоплазмотрона предусматривала возможность замены накального катода и размещалась на отдельном разборном фланцевом соединении. c) изготовление электронно-оптической системы формирования пучка положительных ионов, включающей в себя вытягивающий электрод, электростатическую одиночную линзу, отклоняющую систему и систему замедления пучка ионов перед осаждением на подложку. d) Сборку столика для крепления подложек на отдельном фланце с резиновым уплотнением, дающим возможность осуществить быструю смену образца. Конструкция столика предусматривала крепление как плоских подложек из различных материалов, так и острий, с целью изготовления полевых эмиттеров на основе углеродных покрытий, а также прогрев образца и контроль его температуры с помощью встроенных нагревателя и температурного датчика сопротивления в случае плоских.

311 подложек и путём пропускания тока через дужку в случае осаждения плёнки на остриё.

4. С помощью вышеописанной системы ионно-лучевого осаждения напылены углеродные покрытия на поверхности плоских подложек из различных материалов: вольфрам, стекло, монокристаллический кремний (100), керамика. Проведено детальное изучение структуры покрытий методом сканирующей электронной микроскопии. Методом вторично-ионной масс спектроскопии получены данные о химическом составе образцов. С учётом результатов, полученных на плоских подложках, выбраны оптимальные режимы нанесения алмазоподобных плёнок на автоэлектронные эмиттеры, в качестве которых использовались вольфрамовые острия, изготовленные из поликристаллической проволоки, с преимущественной (011) ориентацией зёрен, методом электрохимического травления в водном растворе щёлочи. Получены слои углерода на остриях с различной толщиной при выбранных значениях энергии падающих частиц, дозы и времени облучения.

5. Образцы эмиттеров с алмазоподобным покрытием исследованы на полевом эмиссионном спектрометре с учётом специфики автоэлектронной эмиссии систем металлическое остриё/полупроводниковая плёнка. Выяснен оптимальный метод предварительной формовки эмиттера с целью стабилизации его эмиссионных свойств. Использованы различные способы сравнения характеристик полевой эмиссии чистых вольфрамовых острий и после покрытия их углеродной плёнкой и выяснения роли полупроводящего алмазоподобного покрытия при «холодной» электронной эмиссии таких систем. Получены вольтамперные характеристики полного тока, а также с отдельных граней всей эмитирующей поверхности острия. Наибольший интерес представляют полученные в работе распределения электронов по энергиям, эмитированных поверхностью алмазной плёнки, снятые с использованием.

312 высокоразрешающего дисперсионного анализатора и вторичного электронного умножителя, позволяющего регистрировать очень слабые токи. Исследованы также временные зависимости тока автоэлектронной эмиссии с целью исследования стабильности эмиссионных свойств полученных катодов и влияние температуры острия и освещения на ход ВАХ. Образцы покрытых алмазоподобной плёнкой катодов изучены с использованием метода полевой электронной микроскопии. Полученные данные дают возможность сделать некоторые заключения о структуре углеродного слоя на конце вольфрамового острия, а также об адсорбционной способности различных граней и процессах миграции атомов по поверхности острия. Наиболее интересные особенности эмиссионных изображений фиксировались с помощью видеосъёмки. Этот метод оказался полезным при оценке устойчивости алмазоподобного покрытия по отношению к бомбардировке ионами остаточных газов и их адсорбции на поверхности эмиттера, приводящей к изменению его эмиссионных характеристик.

6. Проведено обобщение накопленных экспериментальных результатов, выяснены некоторые общие закономерности процесса полевой эмиссии системы W остриё/алмазная плёнка. При интерпретации полученных данных обсуждены вопросы электронной структуры полученных слоёв: ширины запрещённой зоны, наличия поверхностных состояний, локальных уровней и зон дефектов в плёнках. Также обсуждены различные механизмы, сопровождающие процессы переноса электронов из вольфрамовой подложки через алмазную плёнку в вакуум. При этом учтены инжекция носителей в зону проводимости полупроводникового слоя, их рассеяние в плёнке и туннелирование в вакуум. Также учтена возможность изоэнергетического туннельного прохода электронов через тонкий слой и эмиссия из валентной зоны материала. Отмечены некоторые возможные механизмы переноса.

313 электронов через слой углерода. Обращено внимание на наличие размерных эффектов, вплоть до квантовых, при использовании алмазоподобных слоев малых толщин. На основе этого намечены пути построения теории автоэлектронной эмиссии изученных систем с целью более глубокого осмысления экспериментальных данных. Наконец, обсуждены вопросы стабильности эмиссионных характеристик эмиттеров данного типа. Показано влияние покрытия на изменение работы выхода поверхности металла. Приведены некоторые замечания, касающиеся технического применения рассмотренных катодов, их изготовления, обработки и условиях функционирования.

В работе проведено изучение полевой эмиссии электронов из полимерной пленки, нанесенной на металлическую поверхность. Явление аномально высокой проводимости в тонких полимерных пленках это одно из немногих проявлений наноэлектронных свойств материалов, то есть электронных свойств, присущих только объектам пониженной размерности. Природа этого явления до сих пор не ясна, несмотря на относительно большой объем различных экспериментальных данных. В частности, не известны экспериментальные работы, из результатов которых можно было бы судить о характере распределения электронных состояний в полимерной пленке. В работе экспериментально изучалось энергетическое распределение эмитированных электронов и предложена физическая модель полевой эмиссии для структуры металл-полимер-вакуум. В качестве полимера был выбран полидифениленфталид (ПДФ) [304], в котором ранее изучался переход типа диэлектрик-металл, индуцированный различными внешними воздействиями [305]. В качестве подложки для полимера были использованы вольфрамовые острия.

По характеристикам Фаулера-Нордгейма для атомарно чистого вольфрамового острия и для острия с нанесенной на его поверхность полимерной плёнки, получено значение эффективной работы выхода для.

314 полимерного покрытия равной 0,4 эВ. Анализ представленных зависимостей энергетического распределения эмитированных электронов показывает, что распределение для случая с полимером более широкое, смещено в сторону низких энергий и высокоэнергетический край немного растянут. Изучено влияние величины эмиссионного напряжения на вид энергетического распределения эмитированных электронов. В рамках феноменологической модели можно найти объяснение значительному уменьшению эффективной работы выхода при покрытии полимерной пленкой металлического электрода, и понять характер энергетического распределения эмитированных электронов с такой поверхности.