Активированные фуллереновые покрытия для полевых эмиттеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Светлов, Илья Александрович

• Светлов, Илья Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Светлов, Илья Александрович

Список сокращений и условных обозначений

Введение

Общая характеристика работы

Содержание диссертации

Глава 1 — Обзор научной литературы

1.1 Некоторые представления о закономерностях полевой эмиссии. Важнейшие факторы, влияющие на работу полевых эмиттеров

1.2 Достижения в создании и исследовании полевых эмиттеров из углерода и содержащих углерод материалов

1.2.1 Эмиттеры из углеродных волокон

1.2.2 Полевые эмиттеры из графита

1.2.3 Полевые эмиттеры из алмазных и алмазоподобных материалов

1.2.4 Полевые эмиттеры из углеродных нанотруб

1.2.5 Способы активирования содержащих углерод материалов

1.2.6 Полевые эмиттеры с фуллереновыми покрытиями

1.3 Выводы по обзору литературы и постановка задачи

Глава 2 - Методика измерений и аппаратура

2.1 Экспериментальный прибор

2.2 Конструирование и расчет источника ионов ИИ

2.3 Контрольные измерения характеристик ионных источников ИИ-1 и ИИ

Глава 3 - Активирование фуллереновых покрытий ионами 74 калия

3.1 Одностадийная и многостадийная активировки

3.2 Оптимизация методов ионной активировки

3.2.1 Оптимизация одностадийной методики активировки

3.2.2 Исследование возможностей трехстадийной активировки

3.3 Основные результаты

Глава 4 - Работа активированных фуллереновых покрытий в сильных электрических полях и при отборе больших токов автоэмиссии

4.1 Работа в сильных электрических полях эмиттеров с фуллереновыми покрытиями, активированными по одностадийной методике

4.2 Работа в сильных электрических полях эмиттеров с фуллереновыми покрытиями, активированными по трехстадийной методике

4.2.1 Влияние температуры катода во время нанесения фуллереновых покрытий на величину предельно достижимых токов эмиссии

4.2.2 Влияние энергии ионов калия и толщины фуллеренового покрытия на величину предельно достижимых токов эмиссии

4.3 О возможности использования ионной обработки для увеличения степени связи покрытия с подложкой

4.4 Основные результаты

Глава 5 - Влияние интенсивной ионной бомбардировки на работу эмиттеров с активированными фуллереновыми покрытиями

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Активированные фуллереновые покрытия для полевых эмиттеров»

Актуальность темы

Представляется весьма привлекательным использование полевых эмиттеров для создания систем формирования электронных потоков в устройствах вакуумной электроники. Преимущества полевых эмиттеров хорошо известны. К ним относятся: малые размеры, возможность, эксплуатации эмиттеров такого типа без подогрева, высокая плотность тока автоэмиссии, безынерционность, , возможность эмитировать электроны в малый телесный угол, экспоненциально высокая крутизна вольтамперных характеристик и пр. Однако, в настоящее время, полевые эмиттеры с успехом применяются только в сверхвысоковакуумных, низковольтных и слаботочных системах, в которых невелико вредное воздействие газовой среды и бомбардировки ионами остаточного газа. В высоковольтных системах, работающих в .условиях технического вакуума (10"6 - 10"8 Торр) под действием ионной бомбардировки, как правило, происходит быстрая деградация полевых эмиттеров, что не позволяет обеспечить их высокую долговечность. Ограничивают применение полевых эмиттеров не только проблемы по обеспечению высокой долговечности, но и трудности получения с их помощью достаточно больших токов, необходимых для функционирования многих электронных устройств.

В настоящее время ведется поиск материалов для изготовления эмиттеров, которые могли бы долговременно работать в условиях технического вакуума в сильных электрических полях.

Большие надежды по созданию долговечных и эффективных полевых эмиттеров исследователи связывают с применением разнообразных углеродных и содержащих углерод материалов (см., например, [1-4], таких как углеродные волокна, графит, алмазные и алмазоподобные пленки, углеродные нанотрубки. Однако до сих пор так и не доказана возможность и целесообразность широкого использования эмиттеров из указанных материалов в вакуумной электронике.

В последние годы в нашей лаборатории на кафедре физической электроники СПбГПУ была разработана методика создания защитных фуллереновых покрытий для полевых эмиттеров и проводятся комплексные исследования эмиттеров с такими покрытиями [5, 6]. Полученные данные свидетельствуют о перспективности использования эмиттеров с фуллереновыми покрытиями. Технология создания таких покрытий чрезвычайно проста, что выгодно их отличает от большинства углеродных эмиттеров другого типа. Однако, как и другие эмиттеры и покрытия из углеродных материалов, фуллереновые покрытия имеют большую работу выхода (около 5 эВ), что ведет к необходимости обеспечения при эксплуатации эмиттеров с такими покрытиями повышенных рабочих напряжений.

К сожалению, пока получено мало данных о возможностях полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями (так же, впрочем, как и для других углеродных и содержащих углерод эмиттеров) к отбору больших токов и к работе в присутствии сильных электрических полей, а также о возможности долговременной их работы в техническом вакууме.

По указанным причинам актуальной представляется данная работа, посвященная поиску и исследованию:

- эффективных способов активирования фуллереновых покрытий и уменьшения их работы выхода;

- возможностей получения больших предельных токов с поверхности эмиттеров с фуллереновыми покрытиями;

- возможностей долговременной работы эмиттеров с фуллереновыми покрытиями в условиях технического вакуума.

Цель и задачи работы:

В данной работе было запланировано комплексное физическое исследование, нацеленное на:

- разработку методов и средств снижения работы выхода фуллереновых покрытий;

- определение возможностей получения с их помощью больших токов в сильных электрических полях;

- определение возможностей эксплуатации эмиттеров с фуллереновыми покрытиями в условиях технического вакуума.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать закономерности и механизмы активирования фуллереновых покрытий в результате их обработки потоками ионов калия и выявить на этой основе возможности долговременного снижения рабочих напряжений, необходимых для получения фиксированных значений тока автоэмиссии с их поверхности.

2. Исследовать закономерности функционирования полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями при . отборе с их поверхности больших токов в сильных электрических полях и определить на основе полученных данных возможности повышения предельно достижимых токов автоэмиссии с их поверхности.

3. Исследовать работу полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями в широком интервале давлений остаточного газа в вакуумной камере, определить на этой основе закономерности и механизмы воздействия бомбардировки ионами остаточного газа на характеристики покрытия, а также возможности использования эмиттеров с фуллереновыми покрытиями в условиях технического вакуума.

Научная новизна результатов работы:

Основные результаты работы получены впервые:

1. Впервые была исследована возможность активирования фуллереновых покрытий потоками ионов калия малой энергии (<250 эВ). Было определено влияние на активирование дозы облучения, энергии ионов, температуры подложки во время облучения, а также толщины фуллеренового покрытия. На этой основе были выявлены оптимальные условия активирования, при которых снижение рабочего напряжения максимально.

2. Впервые были получены сведения о работе активированных фуллереновых покрытий в сильных электрических полях и при отборе больших токов эмиссии, определены предельно достижимые токи автоэмиссии с эмиттеров с такими покрытиями при давлении остаточного газа~10"9 Торр.

3. Впервые была исследована работа эмиттеров с активированными фуллереновыми покрытиями в условиях технического вакуума. Обнаружен эффект самоорганизации фуллереновых покрытий в присутствии интенсивной ионной бомбардировки при повышенных давлениях остаточного газа. Была продемонстрирована возможность повышения благодаря этому эффекту предельных отбираемых токов при давлениях > 10"7 Торр.

Научная и практическая значимость полученных результатов:

В диссертации разработана имеющая большое практическое значение методика активирования фуллереновых покрытий, позволяющая ориентировочно до двух раз понижать рабочие напряжения, необходимые при эксплуатации эмиттеров с такими покрытиями. Полученные данные о предельных возможностях работы эмиттеров с активированными фуллереновыми покрытиями при больших отбираемых токах и в присутствии сильных электрических полей необходимы при проектировании и разработке приборов с построенными на их основе источниками электронных потоков. Данные о функционировании острийных эмиттеров с фуллереновыми покрытиями свидетельствуют о принципиальной возможности использования защитных фуллереновых покрытий в распределенных источниках полевой эмиссии, например, спиндтовского типа для повышения их долговечности при повышенных давлениях остаточного газа.

Достоверность полученных результатов определяется использованием современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласием полученных результатов с существующими литературными данными в случаях, когда такое сопоставление возможно.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанные методы оперативной одностадийной и более продолжительной трехстадийной активировки фуллереновых покрытий полевых эмиттеров потоком медленных (с энергиями 40-100 эВ) ионов калия, обеспечивают долгосрочное снижение характерных напряжений, необходимых для получения фиксированных значений тока автоэмиссии. Одностадийная активировка позволяет снизить характерные напряжения в 1,8-1,9 раз. При трехстадийной активировке падение характерных напряжений достигает 2-2,1 раз.

2. Долгосрочное падение рабочих напряжений при активировке фуллереновых покрытий потоками ионов калия в значительной степени связано с формированием в покрытии металлофуллеренов типа эндо-(К@С60) и/или экзоэдралов (Сбо@К).

3. Устойчивы к отбору больших токов субмикронные острийные полевые эмиттеры с активированными ионной бомбардировкой фуллереновыми покрытиями, если на их вершине создана распределенная эмиссионная структура, включающая несколько десятков приблизительно одинаковых выступов малого размера. Такая структура формируется под действием неоднородных у поверхности электрических полей из-за перемещения поляризованных частиц (фуллеренов и металлофуллеренов). Формирование распределенных эмиссионных структур на поверхности острийных полевых эмиттеров с радиусом вершины 0,3-0,6 мкм о происходит в электрических полях, обеспечивающих отбор токов >10" — 10'7 А.

4. В условиях сверхвысокого вакуума (~10"9 Торр) субмикронные (с радиусом вершины 0,3-0,6 мкм) острийные полевые эмиттеры с активированными по одностадийной методике фуллереновыми покрытиями обеспечивают в статическом режиме предельные токи полевой эмиссии приблизительно до 50 ^ мкА. Такие же эмиттеры с покрытием, созданным по трехстадийной методике, позволяют отбирать токи приблизительно до 100 мкА.

5. При токах, приближающихся к предельным, на поверхности активированных фуллереновых покрытий формируется небольшое количество (1-3) выделенных по эмиссионной активности выступов, обеспечивающих большую часть отбираемого тока. При токе, превышающем предельный, под действием пондеромоторных сил и/или из-за перегрева происходит срыв покрытия или покрытия с частью острия.

6. Предварительная (до нанесения фуллеренового покрытия) обработка поверхности острия потоком быстрых (с энергиями 1,5-5 кэВ) ионов калия позволяет повысить сцепление созданного затем покрытия с подложкой и увеличить в связи с этим на 20-40% предельные отбираемые токи эмиссии.

7. Возникающие на поверхности активированного фуллеренового покрытия выделенные по эмиссионной активности выступы могут быть разрушены под действием бомбардировки быстрыми ионами калия с энергиями >1,5 кэВ. В результате может быть повышена однородность покрытия.

7 £\

8. При повышенных давлениях (10" -10" Торр) и увеличенных в связи с этим интенсивностях бомбардировки катода ионами остаточного газа фуллереновое покрытие, активированное по трехстадийной методике, сохраняет на поверхности достаточно однородную распределенную эмиссионную структуру и не разрушается вплоть до токов свыше 130 мкА. В присутствии интенсивной, ионной бомбардировки часть выступов распределенной структуры разрушается, но высвободившиеся частицы под действием неоднородных полей «втягиваются» на вершины близлежащих выступов или формируют новые. Таким образом, распределенная структура самовоспроизводится.

Апробация работы

Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались и обсуждались на: зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, 2006, 2009), 8-м, 9-м и 10-м международном симпозиуме «Фуллерены и атомные кластеры», IWFAC (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009), 51-м международном симпозиуме по полевой эмиссии, IFES (Руан, Франция, 2008), на семинаре кафедры физической электроники СПбГПУ (2009).

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении работ по грантам РФФИ 05-02-16936 и РФФИ 08-02-00332.

Личный вклад автора в выполненные работы

Автор внес решающий вклад в разработку методики расчета и расчет системы формирования потока ионов калия на поверхность острийного полевого эмиттера, а затем активно участвовал в разработке и изготовлении ионного источника. Автор является исполнителем всех представленных экспериментальных исследований, и активно участвовал в обсуждении всех полученных результатов. Он является основным исполнителем численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных данных.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе: 3 статьи в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов, 1 работа - статья в сборнике трудов конференции и 7 работ - тезисы докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 158 страницах, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Светлов, Илья Александрович

4.4. Основные результаты

Подводя итоги данной главы, укажем важнейшие полученные результаты:

1. Исследована работа катодов с фуллереновыми покрытиями, активированными по одностадийной и трехстадийной методикам, при отборе больших токов эмиссии вплоть до предельных (7пред). Определены закономерности и механизмы воздействия сильных полей и отбора больших токов на характеристики покрытий и эмиссионные характеристики катодов.

2. Влияние электрических полей на характеристики покрытия и эмиссионные характеристики катодов становится заметным при отборе токов />( 1-5)-10"8 А.

Основные закономерности работы катодов таковы: о «у

- При токах /~10"в-1(Г А на поверхности покрытия субмикронного острийного катода формируется распределенная структура из большого количества (несколько десятков) приблизительно одинаковых по размерам выступов малого размера. Такая структура создается, видимо, в результате перемещения поляризованных молекул фуллерена и/или металлофуллеренов по поверхности покрытия под действием сильно неоднородных у вершины катода полей. Для катодов с фуллереновыми покрытиями, нанесенными при комнатной температуре, эмиссия распределенной структуры слабо меняется во времени при отборе токов /~0,1 мкА. Для катодов с покрытиями, нанесенными при 500 К, стабильна работа катодов при токах ~1 мкА.

- При больших токах и фиксированном напряжении эмиссия катода увеличивается во времени из-за роста выступов распределенной структуры. Тренировка с отбором токов стабилизирует работу эмиттера при токах ориентировочно до 3 мкА.

- При токах I > 3-5 мкА, даже после проведения тренировки, происходит быстрое нарастание эмиссии во времени. Стабилизировать работу катода при токах 3 </< 10-15 мкА позволяет его прогрев при температурах ~800-900 К, в процессе которого испаряются с поверхности покрытия наиболее слабо связанные с нею частицы. ч

- Прогрев не стабилизируют работу катода при токах свыше 10-15 мкА. При I > 10-15 мкА происходит самопроизвольное увеличение тока, обусловленное увеличением высоты и эмиссии небольшого количества (1-3) выступов на поверхности покрытия. В результате резко возрастает напряженность электрического поля Е у поверхности выступов и увеличивается плотность проходящего через эти выступы электронного тока. При токе, превышающем предельный /,фед> под действием пондеромоторных сил, пропорциональных Е2, и/или из-за перегрева происходит срыв покрытия или покрытия с частью острия.

3. Уровень предельных токов зависит от способа создания и активировки фуллеренового покрытия. Большие предельные токи получаются для катодов с фуллереновыми покрытиями, нанесенными на подогретый до температуры 500 К катод. Для активированных фуллереновых покрытий субмикронных катодов, созданных по оперативной одностадийной методике, максимальные предельные токи имеют величину ~50 мкА. Предельные токи катодов, изготовленных по трехстадийной методике, достигают значений ~100 мкА.

4. Для активированных с использованием ионной обработки фуллереновых покрытий достижимые предельные токи меньше таковых для чисто фуллереновых покрытий. Этот факт объяснен уменьшением связи с подложкой активированного покрытия из-за введения в него в процессе активирования калия. Был предложен и испытан метод увеличения связи покрытия с подложкой за счет предварительной (до нанесения покрытия) обработки подложки потоком быстрых (с энергиями >1,5 кэВ) ионов калия. Такая обработка модифицирует поверхность подложки, увеличивает связь с нею созданного покрытия. В результате удается повысить предельные токи эмиссии на 20-40%.

140 ГЛАВА 5

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ НА РАБОТУ ЭМИТТЕРОВ С АКТИВИРОВАННЫМИ ФУЛЛЕРЕНОВЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Разрушение фуллеренового покрытия эмиттера или самого эмиттера при отборе с него тока, как правило, было связано с переходом от распределенной структуры эмитирующих центров на поверхности эмиттера под действием сильных электрических полей к образованию одного или нескольких выделенных по эмиссионной способности центров. В связи с этим, представлялось важным исследовать возможность восстановления распределенной структуры покрытия, после образования на поверхности одного или нескольких выделенных по эмиссионной способности центров.

Нами было исследовано изменение структуры поверхности после формирования на ней единичного выделенного по эмиссионной способности центра под действием поэтапного прогрева с шагом 150-200 К до температуры около 1500 К. Оказалось, что добиться разрушения такого центра можно лишь при достаточно высоких температурах около 13001400 К, т.е. в условиях, когда происходит разрушение всего покрытия за счет испарения и/или разложения составляющих его молекул фуллерена и металлофуллеренов.

Другим способом изменения структуры поверхности уже созданных и активированных фуллереновых покрытий может служить их обработка быстрыми ионами. Как показали измерения, после образования на поверхности эмиттера в процессе отбора больших токов одного или нескольких выделенных по эмиссионной способности центров, бомбардировка этой поверхности ионами калия с энергией W > 1500 эВ позволяет повысить однородность распределенной структуры.

Рассмотрим более подробно процесс образования на поверхности 1-2 интенсивно эмитирующих центров и их разрушение под действием ионной обработки на примере покрытия, полученного по типичной «одностадийной» методике. На рис. 5.1(a) показано автоэмиссионное изображение, полученное сразу после формирования фуллеренового покрытия и его активирования по оптимизированной методике при отборе тока 1=2 нА, а на рис. 5.1(6) — автоэмиссионное изображение этого же покрытия, но при отборе тока 1=5 мкА. На этих фотографиях отчетливо видна распределенная структура покрытия, состоящая из множества малых по размеру эмиссионных центров. При отборе тока около 1=30-40 мкА на поверхности покрытия сформировались и стали доминировать центры повышенной эмиссии (рис. 5.1(b)). При отборе тока 1= 50 мкА испытания были остановлены, и эмиттер был подвергнут бомбардировке ионами калия. После обработки покрытия потоком ионов калия с энергией Ж=1500

7 2 эВ и плотностью тока jU0H ~ 5-10" А/см в течение 120 мин. эти центры повышенной эмиссии были разрушены. На рис. 5.1 (г) показано автоэмиссионное изображение эмиттера, полученное при отборе тока 1=2 нА после обработки потоком быстрых ионов калия. Из рис. 5.1 (г) видно, что покрытие снова становится однородным. Хотя оно и не повторяет исходное изображение, выделенные по эмиссионной способности центры ликвидированы. * » г w dz* т Ф б «•

Рис. 5.1. Автоэмиссионные изображения: а) распределенная структура при отборе малого тока /=0,002 мкЛ, б) распределенная структура при отборе тока 1=5 мкА, в) эмиссионная структура с 1-2 центрами повышенной эмиссии при отборе тока 1= 50 мкА, г) автоэмиссионное изображение эмиттера при отборе малого тока /=0,002 мкА, полученное после обработки покрытия ионами калия с энергией W= 1,5 кэВ, при плотности тока jU0H = 5-10"7 А/см2 в течение 120 мин.

Таким образом, стало ясно, что ионная бомбардировка позволяет разрушать сформировавшиеся центры повышенной эмиссии и воссоздать достаточно однородную распределенную структуру. Однако оказалось, что центры повышенной эмиссии вновь образуются при повторном отборе большого тока. В связи с этим было важно найти условия, в которых исключается или затрудняется повторное формирование подобных центров, ведущих к разрушению эмиттера при отборе большого тока. Поэтому, мы решили опробовать возможность отбора большого тока с эмиттера с активированным фуллереновым покрытием в условиях повышенного давления (технического вакуума), когда обеспечивается непрерывная интенсивная бомбардировка поверхности эмиттера ионами остаточного газа. Испытания проводились при давлениях остаточного газа ~ 10-7 - 10-6 Торр.

Сначала покрытия создавались на вольфрамовом катоде со слоем карбида на его поверхности и активировались по одностадийной методике при низком давлении ~10"9 Торр. Затем повышалось давление в приборе и проводилась тренировка эмиттера с отбором в течение 1 часа тока 1 мкА. После этого ток повышался до 5 мкА и проводилась тренировка катода при этом токе в течение нескольких часов. После завершения тренировки система откачивалась до давления ~10"9 Торр и эмиттер прогревался в течение ~1 часа до температуры -1000 К. Затем снова давление

7 f\ повышалось до - 10" - 10" Торр и проводились испытания катода при повышенном давлении. После проведения описанных тренировок и прогрева удавалось значительно стабилизировать отбор тока при повышенном давлении. При отборе / - 10 мкА изменения тока не превышали -40% в течение - 100 мин. (см. рис. 5.2). t, МИН

Рис. 5.2. Изменение тока автоэмиссии / при фиксированном напряжении (3,9кВ) во времени t в процессе работы эмиттера из вольфрама со слоем карбида на его поверхности при повышенных давлениях р. Две кривые на графике зависимости I(t) характеризуют изменения минимального и максимального значения флуктуирующего тока автоэмиссии.

Для лучшего понимания процессов, протекающих на поверхности катода при его работе в условиях повышенного давления, обратимся к автоэмиссионным изображениям катода. На рис. 5.3(а,б) показаны автоэмиссионные изображения катода с активированным фуллереновым покрытием, полученные при отборе тока /=0,01 мкА при давлении остаточного газа ~10"9 Торр. Изображение на рис.5.3(a) получено сразу после завершения ионной активировки покрытия при указанном низком давлении. На рис. 5.3(6) показано автоэмиссионное изображение того же катода, полученное после завершения тренировки с отбором тока 1=5 мкА при повышенном давлении 10"7-10"6 Торр и последующей откачки прибора до давления ~10"9 Торр.

Рис. 5.3. (а) и (б) - автоэмиссионные изображения катода из вольфрама со слоем карбида на его поверхности, зафиксированные при отборе тока / = 0.01 мкА и давлении остаточного газа р = 10"у Торр сразу после активирования фуллеренового покрытия ионами калия (а), и после проведения тренировки (б) с отбором тока 1=5 мкА в течение ~2 часов при повышенном давлении в рабочей камере (10"7-10"6 Торр), (в) и (г) - изображения, полученные при давлении остаточного газа р= 10"6 Торр при отборе тока I = 65 мкА (в) и 1= 130 мкА (г).

Видно, что токовая тренировка при повышенном давлении привела к изменению распределения эмиссии по поверхности катода. Площадь достаточно однородно эмитирующей поверхности значительно увеличилась. Достаточно однородной была при повышенных давлениях эмиссия и при токе 65 мкА (рис. 5.3(b)). Во время работы эмиттера при повышенном давлении на поверхности можно было выделить большое число (около 100) эмиссионных центров. Отдельные центры появлялись и исчезали, однако их общее количество оставалось во время работы катода практически неизменным. Автоэмиссионная картина имела «мерцающий» характер.

Известно, что фуллереновая молекула характеризуются достаточно прочными связями атомов углерода в ней [68]. Энергия связи атомов углерода в молекуле Сбо равна 6,99 эВ/атом. С другой стороны, связи этих молекул с твердотельной подложкой значительно слабее [69]. Например, энергия связи термически нанесенной фуллереновой пленки с графитовой подложкой всего 1,69 эВ. Связи между молекулами тоже слабые (Ван-дер-Ваальсовские). По этой причине под действием ионной бомбардировки в фуллереновых покрытиях скорее разрушаются связи между молекулами фуллеренов (эндоэдралов, экзоэдралов), нежели связи между атомами в молекулах. Как следует из наших данных, ионная бомбардировка практически не приводит к разложению фуллереновых молекул и образованию аморфного углерода на поверхности. Об этом говорят как эксперименты, связанные с обработкой фуллереновых покрытий потоками ионов калия, так и эксперименты при повышенных давлениях остаточного газа. Быстрые ионы, падающие на катод, видимо, выделяют большую часть своей энергии в подложке, разрушая при этом созданные на фуллереновом покрытии эмиссионные центры. Однако «освободившиеся» из данного выступа поляризованные молекулы фуллеренов или металлофуллеренов тут же, перемещаясь под действием неоднородных электрических полей, захватываются соседними центрами (выступами) или создают новый центр повышенной эмиссии. Вероятно, именно эти процессы являются причиной «мерцающего» характера автоэмиссионных изображений катода с фуллереновым покрытием. Такой саморегулирующийся процесс воспроизведения центров повышенной эмиссии позволяет фуллереновым покрытиям быть устойчивыми к ионной бомбардировке.

Эксперименты показали, что в условиях повышенной ионной бомбардировки катода с активированным фуллереновым покрытием при давлениях ~10"6 Торр удается повысить предельные токи до значений более 130 мкА (см. рис. 5.3(г)). Выявленный эффект саморегулировки покрытия в условиях интенсивной ионной бомбардировки может значительно повысить долговечность работы эмиттера в условиях технического вакуума.

148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги работы, укажем важнейшие ее результаты:

1. Разработана методика обработки фуллереновых покрытий острийных полевых эмиттеров потоком ионов калия. Для ее реализации созданы и использованы оригинальные источники ионов, обеспечивающие плотности потока ионов на вершину острийного катода ориентировочно до

7 7

5-10" А/см и энергии ионов от 40 до 5000 эВ.

2. Разработаны методы оперативной одностадийной и более продолжительной трехстадийной активировки фуллереновых покрытий потоком ионов калия. Выяснено влияние на активировку энергии ионов и плотности тока ионов, продолжительности активировки, толщины фуллеренового покрытия, а также температуры катода в процессе его обработки потоком ионов калия. Определены оптимальные условия активировки. Установлено, что в оптимальных условиях одностадийная активировка позволяет снизить характерные напряжения в 1,8-1,9 раз. При трехстадийной активировке падение характерных напряжений достигает 22,1 раз.

3. Предложено объяснение закономерностей долговременной активировки фуллереновых покрытий потоком ионов калия с учетом формирования в покрытии металлофуллеренов типа эндо- (К@Сбо) и/или экзоэдралов (Сбо@К).

4. Выявлены следующие закономерности функционирования субмикронных острийных полевых эмиттеров с активированными фуллереновыми покрытиями в сильных полях и при отборе больших токов:

- Повышенной устойчивостью к отбору больших токов обладают покрытия, если на их вершине создана распределенная эмиссионная структура, включающая несколько десятков приблизительно одинаковых выступов малого размера. Такая структура формируется под действием неоднородных у поверхности электрических полей из-за перемещения поляризованных частиц (фуллеренов и металлофуллеренов). Формирование распределенных эмиссионных структур на поверхности острийных полевых эмиттеров с радиусом вершины 0,3-0,6 мкм происходит в электрических полях, обеспечивающих отбор токов > 10"8 -10"7 А.

- В условиях сверхвысокого вакуума (~10"9 Торр) эмиттеры с активированными по одностадийной методике фуллереновыми покрытиями обеспечивают при радиусе вершины острия 0,3-0,6 мкм предельные токи полевой эмиссии приблизительно до 50 мкА. Такие же эмиттеры с покрытием, созданным по трехстадийной методике, позволяют отбирать токи приблизительно до 100 мкА. ,

- При токах, приближающихся к предельным, на поверхности активированных фуллереновых покрытий формируется небольшое количество (1-3) выделенных по эмиссионной активности выступов, обеспечивающих большую часть отбираемого тока. В результате резко возрастает напряженность электрического поля Е у поверхности выступов и увеличивается плотность проходящего через эти выступы электронного тока. При токе, превышающем предельный, под действием пондеромоторных сил, пропорциональных Е2, и/или из-за перегрева происходит срыв покрытия или покрытия с частью острия.

Предварительная (до нанесения фуллеренового покрытия) обработка поверхности острия потоком быстрых (с энергиями 1,5-5 кэВ) ионов калия позволяет повысить сцепление созданного затем покрытия с подложкой и увеличить в связи с этим на 20-40% предельные отбираемые токи эмиссии.

- Возникающие на поверхности активированного фуллеренового покрытия при токах, близких к предельным, выделенные по эмиссионной активности выступы могут быть разрушены под действием бомбардировки быстрыми ионами калия с энергиями >1,5 кэВ. В результате может быть повышена однородность покрытия. Однако, покрытие снова становится существенно неоднородным при отборе больших токов в отсутствии ионной бомбардировки.

5. При повышенных давлениях (10"7-10"6 Торр) и увеличенных в связи с этим интенсивностях бомбардировки катода ионами остаточного газа фуллереновое покрытие, активированное по трехстадийной методике, благодаря действию своеобразного саморегулирующегося процесса, сохраняет на поверхности достаточно однородную распределенную , эмиссионную структуру и не разрушается вплоть до токов свыше 130 мкА. Суть саморегулирующегося процесса состоит в следующем. Бомбардирующие катод быстрые ионы практически не разрушают молекул фуллерена и металлофуллеренов и выделяют свою энергию преимущественно в подложке. Под действием ионной бомбардировки могут разрушаться существующие на поверхности покрытия выступы малого размера, но отделившиеся от данного выступа частицы под действием неоднородных полей «втягиваются» на вершину близлежащих выступов или формируют новые. Таким образом, распределенная структура самовоспроизводится.

6. Полученные данные свидетельствуют о перспективности использования активированных фуллереновых покрытий в качестве защитных для эмиттеров, работающих в техническом вакууме.

Благодарности

Автор благодарен руководителю проф. Г.Г. Соминскому, а также ст.н.с. Т.А. Тумаревой за неоценимую помощь в постановке и проведении экспериментов, а также в обсуждении полученных данных.

151

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Светлов, Илья Александрович, 2010 год

1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов / Шешин Е.П. М.: Издательство МФТИ. - 2001. - С. 13-20, 102-167.

2. Гуляев Ю.В. Материалы Всероссийской межвузовской конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" / Гуляев Ю.В., Григорьев Ю.А., Синицын Н.И. // Саратов: Изд. ГосУНЦ "Колледж". 1997.- С.90-93.

3. Соминский Г.Г. Разработка и совершенствование полевых эмиттеров на основе содержащих углерод материалов / Соминский Г.Г., Тумарева Т.А. // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2009. - №3. - С. 17-54.

4. Тумарева Т.А. Острийные полевые эмиттеры с фуллереновым покрытием / Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Ефремов А.А., Поляков А.С. // ЖТФ. 2002.- Т.72, № 2. С. 105-110.

5. Тумарева Т.А. Активировка калием полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями / Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Веселов А.А. // ЖТФ. 2004. -Т. 74, №7.-С. 110-113.

6. Campbell Е.Е.В. Production LDMS characterization of Endohedral Alkali-fiillerene Films / Campbell E.E.B., Tellgmann R., Krawez N., Hertel I.V. // J. Phys. Chem. Solids. 1997.-Vol.58, №11.- P.1763-1769.

7. Suzuki S. Electronic structure of single-walled carbon nanotubes encapsulating potassium / Suzuki S., Maeda F., Yoshio W., Toshio O. // Physical Review B. -2003.- Vol. 67-P.l 15418-1 115418-6.

8. Елецкий А.В. Эндоэдральные структуры / Елецкий А.В. // УФН. 2000. -Т. 170, № 2. - С. 113-142.

9. Rosebury F. American vacuum society classics. Handbook of electron tube and vacuum techniques / Rosebury F. // USA American Institute of Physics -1993 -P. 247-248.

10. Добрецов JI.H. Эмиссионная электроника / Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. -М.: «Наука». 1966. - С. 414-415.

11. Елинсон М.И. Автоэлектронная эмиссия / Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Под ред. Д.В. Зернова]. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит. - 1958. - С. 242, 272.

12. Бочаров Г.С. Влияние экранировки на эмиссионные характеристики холодных полевых катодов на основе углеродных нанотрубок / Г.С. Бочаров, А.В.Елецкий // ЖТФ. 2005. - Т.75, № 7 - С. 126-130.

13. Е.Е. Martin Stable, High Density Field Emission Cold Cathode / E.E. Martin, J.K. Trolan, W.P. Dyke // Journal of Applied Physics. 1960. - V.31, №5. -P.782-789.

14. Тамм И.Е. Основы теории электричества / Тамм И.Е. М.: «Наука» -1989-С. 69.

15. Milne W.I. Carbon nanotubes as field emission sources / W.I. Milne, K.B.K. Teo et al. // Journal of Material Chemistry.- 2004. V.14 - P. 933-943.

16. Spindt C.A. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones / C.A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, E. R. Westerberg // J.

17. Appl. Physics. 1976. - V. 47 - P. 5248-5263.

18. Brodie I. Advances in Electronics and Electron Physics / I. Brodie, C.A. Spindt // Vacuum microelectronics. 1992. - V.83 - P. 1-107.

19. Kim Y.A. Thermal stability and structural changes of double-walled carbon nanotubes by heat treatment / Y.A. Kim, H. Muramatsu, T. Hayashi, M. Endo, M. Terrones, M.S. Dresselhaus II Chemical Physics Letters. 2004. - V. 398 - P.87-92.

20. Lin C.W. Thermal stability in diamond-like carbon coated planar electron field emission arrays / Chin-Maw Lin, Shoou-Jinn Chang, Meiso Yokoyama // Journal of Vac. Sci. Technol. 2000. - V. 18, No.5 - P. 2424-2426

21. Shatskiy A. Boron-doped diamond heater and its application to large-volume, high-pressure, and high-temperature experiments / Shatskiy A., Yamazaki D., Morard G. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2000. - V.80 - P. 023907.

22. Purcell S.T. Stability of carbon nanotubes under electric field studied by scanning electron microscopy / S.T. Purcell, P. Vincent, C. Journet, Vu Thien Binh // Physical Review Letters. 2002. - V. 88 - P. 105502.

23. Gogotsi Y. Nanotubes and Nanofibers / Gogotsi Y. CRC Press. USA - 2006. -P.130-131.

24. Hirsch A. Fullerenes. Chemistry and Reactions / Anreas Hirsch, Michael Brettreich. Wiley-VCH, Germany. - 2005. - P. 390.

25. Елецкий A.B. Углеродные нанотрубки / Елецкий A.B.// УФН. 1997. -Т. 167, № 9 - С. 945-972.

26. Елецкий А.В. Фуллерены и структуры углерода / Елецкий А.В., Смирнов Б.В. // УФН. 1995. - Т. 165, № 9. - С. 977-1009.

27. Тумарева ТА. Формирование микрообразований с упорядоченной структурой эмиссии в фуллереновых покрытиях полевых эмиттеров / Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Поляков А.С. // ЖТФ. 2002. - Т.72, №2 - С. 111-115.

28. Liu P. Measuring the work function of carbon nanotubes with thermionic method / Liu P., Sun Q., Zhu F. et al. // Nano Letters. 2008. - V.8, No.2 - P. 647-651.

29. Kadish M.K. Fullerenes / Kadish M.K., Ruoff R.S. Canada: Published byу

30. John Wiley & Sons, 2000. P. 549.

31. Suzuki S. Work functions and valence band states of pristine and Cs-intercalated single-walled carbon nanotube bundles / Suzuki S., Bower C. et al. // Applied Physics Letters. 2000. - V. 76, № 26 - P. 4007-^1009.

32. Baker F.S. The carbon fibre field emitter / Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1974. - Vol.7, No. 15 - P.2105-2115.

33. Braun E. Carbon fibers as field emitter / Braun E., Smith J.E., Sykest D.E. // Vacuum. 1975. - V.25, No. 9/10 - P.425^126.

34. Бондаренко В.Б. Эмиссионные характеристики порошков из нанопористого углерода / В.Б. Бондаренко, П.Г. Габдулин, Н.М. Гнучев, С.Н. Давыдов, В.В. Кораблев, А.Е. Кравчик, В.В. Соколов // ЖТФ. 2004. - Т.74, №10 - С.113-116.

35. Бондаренко В.Б. Эмиссионная способность углеродных наноструктур, полученных из карбидов / В.Б. Бондаренко, П.Г. Габдуллин, Н.М. Гнучев, С.Н. Давыдов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. - № 3(59) -С.165-169.

36. Бондаренко Б.В. Эмиссионные характеристики автокатодов из пластин пирографита / Б.В. Бондаренко, В.Н. Ильин, Е.П. Шешин и др. //Электронная техника, сер.1, Электроника СВЧ. 1988. -№1 - С.34-38.

37. Суворов A.JI. Микрошероховатые плоские автоэмиссионные катоды из графита, полученные радиационным способом / A.JI. Суворов, Е.П. Шешин, В.В. Протасенко и др. // ЖТФ. 1996. - Т.66, №7 - С. 156-160.

38. Андреев K.B. Импульсные автоэмиссионные источники электронов на основе углеродных микро и наноструктур для лучевых СВЧ-приборов: численное и экспериментальное исследование / К.В. Андреев, Ю.А.

39. Григорьев, Д.Д, Милютин и др. // В сборнике: Материалы 13 зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике (31 января 5 февраля 2006 г.): Саратов, Изд. ГосУНЦ «Колледж», 2006 - С.64-65.

40. Krauss A.R. Electron field emission for ultrananocrystalline diamond films / A.R. Krauss, O. Auciello, M.Q. Ding et al. // Journal of Applied Physics. 2001. -V.89, № 5 - P. 2958-2967.

41. Uppireddi K. Study of the temporal current stability of field-emitted electrons from ultrananocrystalline films / Uppireddi K., Weiner B.R., Moreli G. // J. of Appl. Phys. 2008. - V. 103 - P. 104315(1-5).

42. Matsumoto K. Ultralow biased field emitter using single-wall carbon nanotube directly grown onto silicon tip by thermal chemical vapor deposition / Matsumoto K., Seizo K., Yoshitaka G. et al. // Applied Physics Letters. 2001. -V.78, № 4 - P. 539-540.

43. Tseng S.H. Fabrication of individual aligned carbon nanotube for scanning probe microscope / Tseng S.C., Tsai C.H., Lee C.H. et al. // Journal of Physics: Conference Series. 2005. - V.10 - P. 186-189.

44. G.N. Fursey The field emission from carbon nanotubes / G.N. Fursey, D.V. Novikov, Dyuzhev G.A. et al. // Applied surface science 2003. — V. 215 - P. 135-140.

45. Wang Q. Field emission from thick carbon nanotube film on Si substrate / Wang Q„ Zhu C.C., Shi Y. // Surface and Interface Analysis 2004. - V.36, No.5-6.-P. 478-480.

46. Chen Y. Field emission of different oriented carbon nanotubes / Chen Y., Shaw D.T., Guo L. // Applied physics letters. 2000. - V.76, No. 17 - P. 24692471.

47. Purcell S.T. Hot nanotubes: stable heating of individual multiwall carbon nanotubes to 2000 К induced by the field emission current / Purcell S.T., Vincent P., Journet C., Binh V.T. // Physical Review Letters. 2002. - V.88. - P. 105502.

48. Бочаров Г.С. Тепловая неустойчивость холодной полевой эмиссии углеродных нанотрубок / Г.С. Бочаров, А.В. Елецкий // ЖТФ. 2007. - Т.77, Вып. 4.- С. 107-112.

49. Yue G.Z. Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray radiation using a carbon-nanotube-based field-emission cathode / Yue G.Z., Qui Q., Cheng Y. et al. // Applied Physics Letters. 2002. - V. 81, No. 2. - P. 355357.

50. Guillom M.A. Gated fabrication of nanostructure field emission cathode material within a device / M.A. Guillom, M.L. Simpson, Merkulov I. et al. // Патент США №6,858,455. 2005. - 30 P.

51. Fujii S. Efficient field emission from an individual aligned carbon nanotube bundle enhanced by edge effect / Fujii S., Honda S.I., Machida H. at al //Appl. Phys. Lett. 2007. - V.90. - P. 153108-1.

52. Батурин A.C. Внедрение щелочноземельного металла в структуру графита с целью снижения работы выхода / Батурин А.С., Никольский К.Н., Князев А.И., Чесов Р.Г., Шешин Е.П. // ЖТФ. 2004. - Т.74, Вып. 3. - С. 6264.

53. Bagge-Hansen М. Field emission from Мо2С coated carbon nanosheets / M. Bagge-Hansen, R.A. Outlaw, P. Miraldo at al. // J. of Appl. Phys. 2008. - V.103 -P. 0143ll-( 1-9).

54. Vlahos V. Material analysis and characterization of cesium iodide (Csl) coated С fibers for field emission applications / V. Vlahos, D. Morgan, J.H. Booske //

55. Conference Abstracts of The 35th IEEE International Conference on Plasma Science (June 15-19, 2008, Karlsruhe, Germany). -P.l26.

56. Запороцкова И.В. Электронное строение углеродных нанотрубок, модифицированных атомами щелочных металлов / Запороцкова И.В., Лебедев Н.Г., Чернозатонский Л.А. // ФТТ. 2004. - Т.46, Вып. 6. - С. 1137— 1142.

57. Молоковский С.И. Интенсивные электронные и ионные пучки / Молоковский С.И., Сушков А.Д. -М.: «Энергоатомиздат». 1991

58. Тумарева Т.А. Активирование фуллереновых покрытий полевых эмиттеров потоками атомов и ионов калия / Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Бондаренко А.К., Веселов А.А., Светлов И.А. // ЖТФ. 2006. - Т.76, Вып. 7. -С. 81-84.

59. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов / B.C. Фоменко. -Киев: «Наукова думка». 1970. - С. 123-124.

60. Liu D.L. Optimal roughness for minimal adhesion / D.L. Liu, J. Martin, N.A. Burnham // Journal Applied physics letters. 2000. - V.91.- P. 043107.

61. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Бериш Р. -М.: «Мир», 1984.-С.242.

62. Joe М. Nanopattering by dual-ion-beam sputtering / M. Joe, С. Choi, В. Kahng et al. // Applied physics letters. 2007. - V. 91. - P. 233115.

63. Мазилова Т.И. Эрозия поверхности автоэмиттеров под действием низкоэнергетичной ионной бомбардировки / Т.И. Мазилова, И.М. Михайловский // ЖТФ. 2002. - Т. 72, № 7. - С. 117-121.

64. Ziegler J.F. SRIM. The stopping and range of ions in matter / J.F. Ziegler, J.P. Biersack, M.D. Ziegler. USA. - 2009. - 329 P.

65. Мюллер Э. Автоионная микроскопия / Э. Мюллер, Т. Цонь. -М.:«Металлургия». 1972. - С. 221-276.

66. Быков В.Н. Природа и термическая устойчивость радиационных дефектов в монокристалле вольфрама / В.Н. Быков, Г.А. Биржевой, Л.И. Захарова, В.А. Соловьев // Атомная энергия. 1972. - Т. 33, Вып. 4 - С. 809813.

67. Соколов В.И. Фуллерены новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства / В.И. Соколов, И.В. Станкевич // Успехи химии. - 1993. - Т.62, №5 - С.455-470.

68. Ходорковский М.А. Исследование энергии связи между молекулами фуллерена в тонких пленках / М.А. Ходорковский, С.В. Мурашов, Т.О. Артамонова, А.Л. Шахмин, А.А. Беляева // Письма в ЖТФ. 2004. - Т.30, №4 -С. 1-5.