Введение к работе
Актуальность работы. Одно из ведущих мест среди методов исследования твердых тел и их поверхности принадлежит методам электронной спектроскопии Изучение электронных сроиств микро- и наноструктур (сверхтонкие полупроводящие и диэлектрические Г/ленчи, нанотрубки, наноразмерные в объеме частицы) явтяется важной, ьо чрезвычайно сложной задачей физической электроники, которая продиктовала потребностями современных страстей науки и техники таких, как микро- и ланозлектроника, квантова? электроника ьристаллографич и мної и\ других Центральное место среди характеристик электронных свойств материалов занимают энергетические спектры и угловые распределения эмитированных электронов из твердого тела ^и р.щичных внешних воздействиях, вторые содержат ценную информацию об элементном составе геометп1 і ском строении, электронных свойствах v фонончом сгектре исолед; ^ммх объектов Чажнейшими ере in P'.er п многообразия электронных cpv ~v тв материалов являются следующие --исперсия электронов по эн< иям, процессы локализации-де чокали? ации лектронов на поверхнос- ,гх состояниях транспортные явления Все они находятся ", тесней связи " химическим и фазовым составом, а также геометрической структурой твері . ..тел
Среди множеств экспериментальных методов, используемых для исследования эле строчных свойств тпептых тел особо, место занимает
ПОЛеваЯ Электронная Ci информативностью и чувств>ггелы'эсг1-ю Imi качества обусловлены самим состояния электронов после туннелирсвания из твердого тела через барьер в вакуум При этом сам метод позволяет в рамках одного эксперимента одновременно производить ігзмерение энергетического распределения электронов и наблюдать изображение эмитирующей поверхности образца с высоким пространственным разрешением Кроме этого при снятии энергетического распределения электронов оказывается возможным зондирование эмитирующей поверхности в наномстровом масштабе Метод полевой электронной спектроскопии реализуется в сильных электрических полях Вместе с тем вид кривой энергетическо. о распределения электронов зависит от величины приложенного электрического поля, температуры образца, проводимости, плотности эмиссионного тока, внешнего излучения, состояния эм1ггир>ющеи поверхности От этих гяраметров может зависеть также и угловое распределение эмитированных эле іронов Поэтому проведение электронной спектроскопии в сильном злекірическом поле при изменении параметров образца и различных внешних воздействиях дает возможность получить информацию фундаментального характера об электронных свойствах образца и процессах, протекающих на го поверхности Особенно актуальным для современной науки и техники является изучение закономерностей процесса эмиссии электронов из " -ных материалов, например, наноструктурированных металлов и углерс"'_оіх материалов Наиболее известными примерами таких материалов являются металлы подвергнутые интенсивной ТЛЧС1ИЧЄ..КОЙ 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 - той и их последующей эмиссии в вакуум То же самое можно сказать о г_ іимерньїх 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 тд Вместе с тем, э спериментальных работ по изучению электронных свойств указанных материалов методом полевой электронной спектроскопии чрезвычайно мало, а по некоторым и вовсе нет, поэтому 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 микро- и наноструктур ироианкых материалов различной пррфоды 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 р.і'вчта методика проведения таких исследований, обеспечивающие получение достоверных экспериментальных данных, изучено влияние условий осуществления полевой эмиссии (величины электрического поля, плотности ->rv иссионного тока, температуры и состояния эмитирующей п( «ерхности) на энергетические ряс плевеле !шя электронов, исследован" закономерности полевой электронной эмиссии из наноструктурирої с иных и углеродных материалов а также влияние структуры поверхности на « ііссионяьіе сиоисгва лих материалов, проверена . іекватность извеешых физически оделен, г»л,йи.і>ііощи\ определить возможности практического использои ия аилсвшч эмиперот а различных электрофизических устройствах Научная новизна работы. Проведены легальные исследования закс ом -різний знергетичского распределения электронов, эмитируемых из вотьфрама при высоких плотностях эмиссионного тока Предложен физический механизм объясняющий возникновение низко- ч высокоэнергегичсских «хвостов» в кривых распределения и создана расчетная модель распределения электронов по полным энергиям при разных величинах плотности эмиссионного тока Предложен способ определения функции распределения э шктронов по поперечным составляющим имігульса при выходе электрона из поверхности эмиттера в ваку} м Показана возможьос-ь адекватного определена закона дисперсии электронов в металлах с и^полчзовачием распределения электронов по поперечным составляющим импульса и распределения электронов по полным энергиям с зондируемого участка поверхности эмиттера Экспериментально исследованы эмиссионные характеристики алмазоподобных пленок, впервые полученных ионно-лучевым осаждением на вольфрамовых остриях, и предложена феноменологическая модель эмиссии из структуры металл-алмазоподобная пленка 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 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 пленок 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 пленок толщина покрытия энергия и доза осаждаемых частиц, рабочее напряжение Развитая в работе методика полевой электронной спектроскопии из металлических острий покрытых полупроводящей (алмазоподобной) пленкой, 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 электричес'с:гх полях с возможностью одновременного наблюдения эмитирующей поверхности в нанометровом масштабе Методика измерения распределения электронов по поперечным составляющим импульса при полевой эмиссии из атомарно-гладкой поверхности металла 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 низко- ь высокоэнергетических «хвостов» распределения электронов по энергиям и процедура расчета парного кулоновского взаимодействия электронов в вакууме, подтверждающие результаты экспериментальных исследований 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 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 Апробация работы Основные результаты исследований, вошедших в международных симпозиумах, конференциях и школах на XVII, XIX- XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Ленинград, 1978, 1990, Ташкент, 1984, Киев, 1987Х на VD1 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 ХН - XIII Международном семинаре по физике поверхности (Вроцлав, ПНР, 1987, 1989), на ХШ Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987), на Межотраслевом совещании по полевой эмиссионной микроскопии (Харьков 1989), на IV- V 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 Ш 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 31 работа в научных журналах, 3 патента Список основных публикаций по теме работы приведен в конце диссертации Личный вклад автора Личный вклад автора в работах, опубликованных с соавторами, заключается в постановке задач, формулировке основных экспериментальных методов их решения, в создании экспериментальной установки и проведении экспериментальных исследований, в анализе полученных результатов и их интерпретации, в разработке теоретических моделей исследуемых объектов Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения Все главы имеют вводную часть и выводы, в которых сформулированы основные результаты по данной главе Общее заключение, основные результаты и выводы расположены в конце диссертации Там же приведен список публикаций автора и список цитируемой литературы из 311 наименований Объем диссертации составляет 340 страниц
явлением полевой эмиссии .лектренов сохранением нсвозмушенного
системы металл-полимерная (полидефинелинфталид) тонкая пленка,
показывающих аномальное низкое значение работы выхода (0,4 эВ) и
образование проводимости, индуцированного внешним сильным
электрическим полем
диссертацию, были доложены и обсуждены на отечественных иПохожие диссертации на Электронная спектроскопия микро- и наноструктур в сильном электрическом поле
