Фізико-хімічні та емісійні властивості гетерогенних систем на основі скандію

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Фізико-хімічні та емісійні властивості гетерогенних систем на основі скандію

1. Загальна характеристика роботи

металевопористий компонент скандій

Актуальність теми. Проблема створення та вдосконалення ефективних джерел для формування електронних потоків має велике значення для розвитку вакуумної електроніки та вакуумної мікроелектроніки. Існує багато вакуумних приладів (зокрема, потужні прилади надвисокочастотного діапазону), які найближчим часом не можуть бути замінені твердотільними. Для таких приладів потрібні джерела електронів, що працюють у режимі відбирання великої густини струму в стаціонарному режимі ( 10 А/см² і більше) з високою ефективністю енергоспоживання.

З усіх типів термоемітерів на сьогодні цим вимогам найбільшою мірою відповідають металевопористі емітери (МПЕ) з додаванням скандію.

Але металевопористим емітерам, зокрема, скандатним, притаманний цілий ряд недоліків, головним з яких є нерівномірний розподіл емісії по поверхні. Крім того, відсутнє теоретичне описання вольт-амперних характеристик (ВАХ), особливо в області насичення, та недостатньо відомостей про стан, хімічний склад та властивості компонентів робочої поверхні. Окремо слід відзначити, що, незважаючи на велику кількість проведених досліджень, питання про механізм емісії металевопористих емітерів теж залишається відкритим.

Основною причиною цього є те, що металевопористий емітер - багатокомпонентна, багатофазна, складна за структурою емітуючої поверхні система. Тому уже тривалий час велика кількість дослідників в усьому світі виконує експериментальні дослідження, присвячені вивченню властивостей систем, які складаються з компонентів робочої поверхні МПЕ та певним чином моделюють її. Аналіз літературних даних показує, що в основному подібні роботи, виконані за допомогою найсучасніших методик, присвячені вивченню властивостей тільки окремих компонентів робочої поверхні емітера (переважно барію та його окису), тоді як їхні комбінації досліджуються не так часто.

Розв'язання задач, спрямованих на визначення механізму емісії металевопористих емітерів, і, зокрема, на з'ясування ролі скандію в цьому механізмі, дозволить істотно покращити експлуатаційні параметри джерел електронів такого типу і, як наслідок, поліпшити характеристики та параметри приладів, побудованих на їхній основі. Тому експериментальні дослідження, результати яких наведені в даній дисертаційній роботі, є актуальними як з наукової, так і з практичної точки зору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами.

Дослідження, результати яких наведені в даній дисертаційній роботі, виконувалися згідно планів науково-дослідних робіт лабораторії емісійної електроніки кафедри фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка і стали складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконувалися в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка в рамках комплексної наукової програми “Новітні та ресурсозберігаючі технології”:

“Фізико-хімічні властивості матеріалів, що широко використовуються в електронній техніці”, № ДР 0194U030932, 1996 р.;

"Вплив електронної підсистеми на формування складу кристалів напівпровідникових сполук", № ДР 0197U003268, 2000 р.

“Фізичні основи впливу адсорбційно-емісійних процесів на формування функціонально важливих параметрів гетерофазних напівпровідникових сенсорних структур для систем контролю в біоінженерії та енергокомплексі”, № ДР 0101U001566, 2005 р.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є проведення експериментальних досліджень, спрямованих на з'ясування механізму емісії скандатних металевопористих емітерів, і зокрема, на з'ясування ролі скандію в цьому механізмі. Для досягнення мети необхідно розв'язати такі наукові задачі:

· дослідити взаємодію компонентів активної речовини МПЕ в першу чергу, між собою, та з матеріалом матриці, використовуючи системи, що моделюють робочу поверхню МПЕ;

· дослідити фізико-хімічні та емісійні властивості реальних скандатних МПЕ, як щойно активованих, так і таких, що пройшли випробовування на довговічність;

· побудувати фізичну модель робочої поверхні скандатних МПЕ, яка б дозволила описати особливості їхніх вольт-амперних характеристик.

Об'єктом дослідження є фізико-хімічні та емісійні властивості гетерогенних систем на основі скандію.

Предметом дослідження є робоча поверхня реальних скандатних металевопористих емітерів та системи, що її моделюють.

Методи дослідження. Оже-електронна спектрометрія, мас-спектрометрія, методика визначення зміни роботи виходу системи адсорбат-адсорбент за допомогою контактної різниці потенціалів (варіант Андерсена), вимірювання вольт-амперних характеристик емітерів у плоскій діодній конфігурації.

Наукова новизна отриманих результатів.

В ході досліджень розв'язано задачі вивчення взаємодії компонентів активної речовини МПЕ між собою та з матеріалом матриці, використовуючи системи, що моделюють робочу поверхню МПЕ. Досліджено фізико-хімічні та емісійні властивості реальних скандатних МПЕ та вплив скандію на емісійні властивості кремнієвих автоемітерів.

В результаті:

1. Вперше показано, що взаємодія компонентів активної речовини скандатних МПЕ як при кімнатній, так і при високих температурах у переважній більшості модельних систем призводить до утворення тривимірних острівців цих компонентів.

2. Вперше показано, що вольт-амперні характеристики скандатних металевопористих емітерів в області обмеження анодного струму просторовим зарядом (в роботі - область анодних напруг до 1000 В) не описуються законом Чайльда-Ленгмюра, і їхній комплексний аналіз дозволяє говорити про термоавтоелектронний характер емісії зразків, що досліджувалися.

3. Показано, що роль скандієвої компоненти в збільшенні емісійної здатності скандатних металевопористих емітерів полягає в створенні умов для суттєвого зростання автоемісійної складової загального анодного струму шляхом сприяння збільшенню кількості та зміні хімічного складу і форми емітуючих центрів - кристалітів окисів лужноземельних металів.

4. Вперше отримано вольт-амперні характеристики кремнієвих автоемітерів зі скандієм на поверхні. Показано, що скандій активно впливає на емісійну здатність кремнієвих автоемітерів і у залежності їхньої активності від кількості скандію на поверхні існує оптимум, який характеризується як високим струмом емісії, так і високою стабільністю струму в часі при постійній анодній напрузі. Роль скандію у підвищення емісійної здатності кремнієвих автоемітерів полягає в утворенні на їхній поверхні комплексу на основі окисів скандію та кремнію, що супроводжується зниженням загальної роботи виходу зразка.

Таким чином в даній дисертаційній роботи на підставі одержаних експериментальних результатів робиться висновок про механізм емісії скандатних металевопористих емітерів та про роль скандію у цьому механізмі.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати узгоджуються з відомими експериментальними результатами, доповнюють їх та висвітлюють роль доданку скандію у поліпшенні емісійних характеристик потужних металевопористих емітерів. Це дозволяє визначити шляхи їхнього подальшого вдосконалення та виготовляти емітери з наперед заданими характеристиками та експлуатаційними параметрами, такими як густина струму емісії, довговічність, стійкість до зміни вакуумних умов тощо.

Особистий внесок здобувача. Усі експериментальні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно або за його безпосередньої участі. Аналіз отриманих результатів та їхня фізична інтерпретація здійснювалася здобувачем спільно зі співавторами опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідалися та обговорювалися на 6 міжнародних наукових конференціях: XXIII международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". - Ташкент (Узбекистан). - 1997; III международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”. - Саранск (Россия). - 2001; IV международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”. - Саранск (Россия). - 2003; “The 5^th International Vacuum Electron Sources Conference”. - Beijing (China). - 2004; “Fifth international young scientists' conference on applied physics”. - Kiev (Ukraine). - 2005; “I International conference “Electronics and Applied Physics”. - Kiev (Ukraine). - 2005.

Публікації. Основні положення дисертації та результати досліджень викладені в 18 роботах, з яких 8 статей, 4 матеріали доповідей на міжнародних конференціях і 6 тез доповідей у збірниках праць міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків по роботі і переліку посилань. Обсяг дисертації 136 сторінок. Робота містить 58 рисунків. Список використаних джерел містить 151 найменування.

2.Основний зміст роботи

У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено основні наукові результати та їхнє практичне значення, висвітлено особистий внесок здобувача, описана апробація результатів дисертаційної роботи та публікації.

У першому розділі наведено огляд літературних даних по темі дисертаційної роботи, зокрема основні етапи розвитку МПЕ, сучасні уявлення про механізм емісії МПЕ, як звичайних, так і вкритих плівками тугоплавких металів. Окремо розглянуто літературні дані присвячені впливу скандію на механізм емісії та властивості МПЕ. Показано, що не зважаючи на використання найсучасніших методик досліджень та велику кількість отриманих експериментальних результатів, питання про механізм емісії металевопористих емітерів, в тому числі і скандатних, залишається відкритим.

У другому розділі описано використані в роботі методики експериментальних досліджень та зразки, що вивчалися.

У третьому розділі наводяться результати досліджень, які мали на меті вивчення взаємодії компонентів робочої поверхні МПЕ між собою та з матеріалом матриці на основі модельних систем.

Дослідження адсорбції алюмінію на грань (110) монокристалу вольфраму є важливим для з'ясування впливу алюмінію на властивості МПЕ, адже алюміній завжди присутній на робочій поверхні металевопористого емітера, коли як основу для активної речовини використовують алюмінати окисів лужноземельних металів.

Аналіз результатів експериментальних досліджень дозволяє запропонувати наступну модель процесу адсорбції алюмінію на грані (110) монокристалу вольфраму: спочатку утворюються острівці двовимірної плівки, а потім на них формуються тривимірні острівці (кристаліти) алюмінію. Про це свідчить, в першу чергу, наявність двох кутів нахилу на концентраційній залежності роботи виходу системи алюміній-вольфрам.

Перехід від двовимірного до тривимірного етапу адсорбції супроводжується деяким зростанням роботи виходу. Про появу тривимірних острівців свідчить і характер залежності амплітуди основної оже-лінії алюмінію з енергією Е = 68 еВ від часу напорошення: після швидкого лінійного зростання відбувається плавний перехід до стаціонарного значення. Причому цей перехід відбувається за тієї ж кількості алюмінію, що й зміна кута нахилу концентраційної залежності роботи виходу системи. При збільшенні або зменшенні потоку алюмінію на вольфрам були отримані аналогічні за своєю формою криві, але зміщені в часі. Це пояснюється тим, що при зміні швидкості надходження адсорбату на поверхню підкладки час, потрібний для напорошення однієї й тієї ж кількості речовини, також повинен змінитися.

Одержані результати мають важливе значення для формування уявлень про склад та структуру робочої поверхні металевопористого емітера, оскільки острівці алюмінію можуть слугувати центрами утворення кристалітів активатора, та для з'ясування ролі алюмінію в цьому процесі.

Результати модельних експериментів, проведених для вивчення адсорбційно-емісійних властивостей плівок барію та кальцію, напорошених на грань (110) монокристалу вольфраму в різних комбінаціях, показали, що взаємодія цих компонентів активної речовини МПЕ при кімнатній температурі призводить до утворення тривимірних острівців.

Щодо напорошення барію на товстий шар кальцію (крива 1), то робота виходу системи монотонно зменшується від значення роботи виходу кальцію до стаціонарного значення, характерного для товстого шару барію на вольфрамі.

Аналіз характеру зміни амплітуд оже-ліній барію та кальцію в цей період свідчить, що на початковому етапі на кальції утворюється моношар барію, а після цього адсорбція має острівковий характер (механізм Странского-Крастанова).

Набагато цікавіше веде себе система, що складається з товстого шару барію на вольфрамі, на який напорошується кальцій в кількості, що еквівалентна товстому шару. Якби утворювався товстий шар кальцію, то робота виходу повинна була б змінитися, як і в попередньому випадку, від значення роботи виходу барію до значення роботи виходу кальцію, тобто значно зрости. Проте такої зміни немає. На протязі всього процесу напорошення кальцію робота виходу системи залишається на рівні, що відповідає товстому шару барію. При цьому, аналіз характеру зміни амплітуд оже-ліній кальцію та барію показує, що кальцій на поверхні системи присутній у значній кількості. Аналогічна ситуація має місце й при одночасному напорошенні барію та кальцію на вольфрам: швидкості напорошення адсорбатів однакові, але робота виходу системи відповідає роботі виходу барію.

Аналіз результатів дослідження адсорбції кальцію на товстий шар барію дозволяє стверджувати, що на початковому етапі напорошення кальцію утворюється плівка (товщиною в декілька моношарів), яка складається з атомів барію та кальцію та має роботу виходу, що мало відрізняється від роботи виходу барію. Внаслідок великої рухливості атомів барію навіть при кімнатній температурі при напорошенні плівки кальцію барій може постійно знаходитися на поверхні плівки, що й буде визначати роботу виходу системи. Оже-лінія кальцію, яка при цьому спостерігається, може бути зумовлена виходом оже-електронів не з поверхневого шару кальцію, а з приповерхневих шарів структури, що утворюється. Надалі, внаслідок великої поверхневої енергії атомів кальцію при його напорошенні на товстий шар барію, ростуть острівці кальцію, інтегральна площа основи яких невелика. На це вказує незначне зменшення амплітуди оже-лінії барію в процесі напорошення. Коли ж інтегральна площа основи острівців кальцію мала, робота виходу системи може знаходитися на рівні роботи виходу барію, хоча кількість кальцію на поверхні може бути значною, як це спостерігається при проведенні експерименту.

Аналіз даних, отриманих при напорошенні барію на монокристал вольфраму за наявності субмоношарового покриття кальцію показав, що результати практично не відрізняються від описаних у літературі для випадку присутності на поверхні вольфраму субмоношарового покриття скандію.

Попередньо напорошене субмоношарове покриття кальцію істотно змінює залежність роботи виходу системи вольфрам-кальцій-барій від часу напорошення барію.

Із зростанням ступеня покриття кальцію зменшується як глибина мінімуму роботи виходу, так і час напорошення барію, що відповідає цьому мінімуму. В граничному випадку, коли барій адсорбується на покриття кальцію, що дорівнює або перевищує моношар, мінімум відсутній взагалі. При великих часах напорошення барію робота виходу, як і повинно бути, набуває значення роботи виходу чистого барію.

Пояснення залежностей, які спостерігаються, не викликає принципових труднощів. Необхідно лише взяти до уваги, що глибина мінімуму роботи виходу при напорошенні барію на вольфрам значно більша, ніж при напорошенні кальцію. Це випливає з порівняння кривих. У цьому випадку з ростом ступеня попереднього покриття вольфраму кальцієм, глибина мінімуму при допорошенні барію до моношару повинна зменшуватися, що й спостерігається при проведенні експерименту. При цьому завдяки зменшенню часу формування спільного моношару в таких умовах мінімум роботи виходу також повинен зміщуватися ліворуч. Подібна картина має місце, наприклад, при одночасному напорошенні барію та кальцію на вольфрам.

Крива зміни роботи виходу при напорошенні барію у випадку, коли попередній ступінь покриття кальцію дорівнює або перевищує моношар, як вже зазначалося, не має мінімуму. Його відсутність можна пояснити тим, що в даному випадку потрібно розглядати вже не систему барій на вольфрамі за наявності субмоношарового покриття кальцію, а систему барій на кальції, де дипольний момент барію, а отже, й стрибок потенціалу при зростанні концентрації барію може бути малим. У цьому випадку зміна роботи виходу зумовлена збільшенням площі поверхні, що вкрита барієм, та повинна змінюватися від значення, характерного для кальцію, до значення, характерного для барію. Та обставина, що початкове значення роботи виходу системи за наявності моношару кальцію дещо вище, ніж робота виходу кальцію, очевидно, пов'язана з помітним впливом на роботу виходу вольфрамової підкладки внаслідок малої товщини попередньо нанесеного шару кальцію. При зростанні товщини шару кальцію роль підкладки зменшується й початкове значення роботи виходу системи стає рівним роботі виходу кальцію.

Найбільш істотна відмінність отриманих результатів від наведених в літературі для випадку присутності на поверхні вольфраму субмоношарового покриття скандію полягає в тому, що при однаковому покритті вольфраму кальцієм та скандієм глибина мінімуму роботи виходу у випадку скандію значно більша. Наприклад, при покритті кальцію та скандію в 0.5 моношару різниця в глибині мінімуму сягає близько 0.5 еВ. Більшу глибину мінімуму у випадку скандію можна пояснити тим, що скандій слабкіше за кальцій деполяризує диполі барію на вольфрамі. Це зумовлено значно меншим дипольним моментом скандію на вольфрамі в порівнянні з дипольним моментом кальцію. Механізми ж адсорбції барію на товсті шари кальцію та скандію на вольфрамі ідентичні.

Проведені дослідження показали, що в умовах модельних експериментів адсорбційні властивості кальцію та скандію при адсорбції на них барію подібні. Реальна ситуація, яка має місце в МПЕ, значно складніша, ніж в наших експериментах, бо до складу активної речовини завжди входить кисень, вплив якого на емісійні та адсорбційні властивості емітера не можна не враховувати. Робоча температура МПЕ значно вища за температуру, при якій проводилися дослідження, що також повинно впливати на процеси, які відбуваються в реальних МПЕ. Проте, отримані результати дозволяють вважати встановленим, що з точки зору адсорбційних властивостей скандій є певним “аналогом” кальцію на початкових стадіях адсорбції барію.

Четвертий розділ присвячений вивченню адсорбційно-емісійних властивостей гетерогенних плівок металів та окисів, характерних для робочої поверхні МПЕ.

Детально вивчити взаємодію компонентів активної речовини МПЕ, а саме, лужноземельних металів, їхніх окисів та окису скандію на прикладі реальних емітерів досить важко, оскільки предмет досліджень - складна, багатофазна та багатокомпонентна система. Тому було обрано шлях дослідження модельних систем, що утворюються на грані (110) монокристалу вольфраму та складаються з компонентів активної речовини МПЕ, їхніх окисів та окису скандію у різних комбінаціях.

У відповідності до поставленої мети перед початком дослідження взаємодії компонентів робочої поверхні МПЕ з їхніми окисами були отримані відповідні окиси. Крім того, наукову цінність має й дослідження самого процесу окислення тієї чи іншої компоненти.

Експериментальне дослідження процесу окислення скандію та кальцію показало, що механізми окислення цих речовин мають багато спільного, що є аргументом на користь висновку, зробленого у третьому розділі, про те, що з точки зору адсорбційних властивостей скандій є певним “аналогом” кальцію на початкових стадіях адсорбції барію. Отримані результати дають усі підстави стверджувати, що при кімнатній температурі окислення товстого шару як скандію, так і кальцію, який був вирощений на монокристалі W(110), відбувається у два етапи. На першому етапі окислюється тільки певна частина поверхні. На другому етапі, після досягнення критичної концентрації кисню на поверхні, починається його дифузія в об`єм плівки, тобто, утворюється об`ємний окис металу з подальшим окисленням поверхні.

Результати дослідження процесів адсорбції барію на окиси скандію та кальцію вказують на їхню ідентичність. Аналіз даних оже-спектрометрії вказує на те, що в обох випадках барій утворює тривимірні острівці на поверхні відповідного окису, тобто адсорбція відбувається за механізмом Вольмера - Вебера. Подібна ситуація спостерігалася й раніше у випадку, коли барій напорошувався на товстий шар чистого скандію і процес адсорбції також супроводжувався ростом тривимірних острівців барію.

Проте в зміні емісійних властивостей поверхні між результатами, отриманими в даній роботі та отриманими раніше, існує принципова відмінність. Якщо, наприклад, при напорошенні барію на товстий шар скандію робота виходу змінювалася монотонно, то у випадку напорошення Ва на товстий шар окису скандію цей процес супроводжується значним (близько 1 еВ) зменшенням роботи виходу та має немонотонний характер.

Така ж ситуація спостерігається при адсорбції барію на окис кальцію. Цей факт є ще одним доказом на користь висновку про те, що умовах модельних експериментів адсорбційні властивості кальцію та скандію подібні.

Крім того залежність роботи виходу системи окис скандію-барій від часу напорошення барію має особливість: відбувається зростання швидкості, з якою змінюється робота виходу системи. Існування такої особливості може вказувати на те, що процес адсорбції відбувається в два етапи. На першому етапі (при малій кількості барію) адатоми утворюють двовимірні острівці адсорбату. При подальшому зростанні кількості атомів барію енергетично більш вигідним є ріст тривимірних острівців, тобто відбувається перехід від більш гладкої структури (острівці двовимірної плівки) до більш шорсткої (тривимірні утворення).

Немонотонний характер має й залежність роботи виходу системи кальцій - окислений скандій від часу напорошення кальцію.

Отримані результати чітко вказують на те, що, по-перше, робота виходу системи кальцій - окислений скандій в процесі напорошення кальцію має мінімум, а, по-друге, ріст плівки кальцію при його напорошенні на окислений скандій відбувається за механізмом Вольмера - Вебера.

Прогрівання утвореної складної системи W-Sc₂O₃-Ca дозволило отримати додаткові результати. Вони показують, що зростання температури підкладки до Т=1150 К спричиняє зменшення амплітуд усіх оже-ліній, крім вольфраму, яка зростає в кілька разів. Це свідчить про руйнування складного сандвіча з Sc- та Cа-компонент на поверхні вольфраму та стягування його в острівці, як це описано в літературі. Але, якщо дані, наведені в літературі, вказують на те, що подальше зростання температури призводило до звільнення вольфрамової підкладки від адсорбату, то в нашому випадку зростання температури до Т=1250 К супроводжується певним “розтіканням” острівців (амплітуди усіх оже-ліній скандію, кальцію та кисню зростають, а амплітуда оже-лінії вольфраму зменшується). З подальшим ростом температури оже-лінії кальцієвої компоненти зникають, чого не можна сказати про скандієву компоненту - при температурі Т=1600 К її кількість на поверхні підкладки досить помітна. Цей результат дуже добре узгоджується з літературними даними із досліджень процесу десорбції окису скандію, де показано, що окислення скандію при кімнатній температурі значно збільшує енергію його зв'язку з вольфрамом - температура десорбції на 160 К вище, ніж для чистого скандію, максимум десорбції спостерігається при температурі 1700 К, а повна десорбція окису скандію відбувається при температурі більшій, ніж 2000 К.

У п'ятому розділі наведено результати дослідження фізико-хімічних та емісійних властивостей поверхні реальних потужних термоемітерів та автоемітерів при додаванні скандію.

Показано, що скандій істотно впливає на емісійну здатність металевопористих термоемітерів, і між її рівнем та присутністю скандієвої компоненти на поверхні емітера існує тісний взаємозв'язок. Причому результати, отримані в даній роботі, переконливо свідчать на користь того, що основний внесок у високу емісійну здатність потужних металевопористих термоемітерів з додаванням скандію здійснюють тривимірні утворення активатора (кристаліти окисів лужноземельних металів) на їхній робочій поверхні.

Аналіз результатів емісійних досліджень показав, що вольт-амперні характеристики зразків, що досліджувалися, мають дві особливості. По-перше, це непропорційне зростання густини анодного струму в області насичення з ростом температури, що спостерігається для зразків з додаванням скандію. Це наводить на думку про істотне зменшення впливу температури в цій області на анодний струм при постійній анодній напрузі. Інша особливість вольт-амперних характеристик як скандатного, так і нескандатного зразків була виявлена при їхньому порівнянні з теоретичною кривою Чайльда-Ленгмюра, яка є ілюстрацією “закону 3/2”.

Виявилося, що експериментальні характеристики в області обмеження анодного струму просторовим зарядом (в даній роботі - область анодних напруг, менших за 1000 В) не співпадають з теоретичною кривою, а з ростом температури перетинають її, причому чим вища температура, тим при більшій анодній напрузі відбувається перетин.

В той же час для звичайного оксидного емітера поведінка вольт-амперних характеристик в області обмеження анодного струму просторовим зарядом не має ніяких особливостей: теоретична та експериментальна характеристики повністю співпадають.

Додаткові дослідження вольт-амперних характеристик МПЕ в діапазоні анодних напруг 40 - 700 В вказують на невипадковість отриманих результатів. Для більшої наочності отримані характеристики зображені в координатах Чайльда-Ленгмюра, де теоретична залежність є прямою лінією.

Чітко видно, що вольт-амперні характеристики в області обмеження анодного струму просторовим зарядом складають з віссю абсцис інші кути, ніж того вимагає “закон 3/2”. Причому, як і в області насичення, тут також спостерігається істотне зменшення впливу температури зразка на анодний струм при постійній анодній напрузі.

Описані вище особливості експериментальних вольт-амперних характеристик металевопористих емітерів дають підстави стверджувати, що зразки, і насамперед це стосується скандатних, працюють у режимі, коли просторовий заряд поблизу емітера або повністю відсутній, або, і це більш ймовірно, він настільки малий, що не обмежує анодний струм. Це може бути пов'язано з іншим механізмом впливу електричного поля на їхню емісію, внаслідок чого має місце не термоелектронна, а сукупність термо- та автоелектронної емісії.

Це припущення добре узгоджується з експериментальними даними, наведеними в літературі. При вивченні залежності низькотемпературної емісії стандартних металевопористих емітерів, вкритих різноманітними плівками (Os/Ru, Re, Ir, W, Re+Sc₂O₃), від анодної напруги та часу роботи було показано, що практично усі зразки після активації виявляють здатність до польової емісії (кімнатна температура), причому для зразків, вкритих плівкою Re+Sc₂O₃ рівень емісії на 4 порядки вищий, ніж у звичайних алюмінатних МПЕ (10^-4 А проти 10^-8 А при напрузі емітер-анод 3000 В).

Роль температури в термоавтоелектронному механізмі емісії МПЕ може полягати у зміщенні максимуму концентрації електронів у емітері в бік рівня вакууму.

Це призводить до зростання густини автоемісійного струму, адже більша кількість носіїв спроможна протунелювати крізь потенціальний бар'єр на межі тверде тіло - вакуум.

Чисельна оцінка залежності енергетичного положення максимуму концентрації електронів у емітері від температури для випадку трикутного потенціального бар'єра без врахування сил зображення показала якісне узгодження із залежністю тангенса кута нахилу експериментальних вольт-амперних характеристик зразка. Ця залежність була отримана шляхом лінеаризації експериментальних ВАХ в області анодних напруг до 1000 В методом найменших квадратів.

Таким чином можна стверджувати, що у випадку металевопористих емітерів емісія носить не термоелектронний, а термоавтоелектронний характер.

Роль скандієвої компоненти в збільшенні емісійної здатності МПЕ полягає у створенні умов для суттєвого зростання саме автоемісійної складової анодного струму шляхом сприяння збільшенню кількості та зміні форми емітуючих центрів - кристалітів окисів лужноземельних металів. При цьому хімічний склад цих кристалітів у випадку скандатного металевопористого емітера є таким, що може збільшувати глибину проникнення електричного поля в їхній об'єм, наслідком чого також є зростання автоемісійної складової загального анодного струму.

Результати експериментальних досліджень впливу скандію на емісійні властивості кремнієвих автоемітерів свідчать, що скандій активно впливає на їхню емісійну здатність, проте в залежності від його кількості він може як покращувати, так і погіршувати її. Показано, що існує оптимум у кількості скандію, який характеризується високим абсолютним значенням струму емісії. Подібна ситуація спостерігається й у скандатних металевопористих емітерах, де оптимальний вплив скандію на емісійні властивості досягається при додаванні Sc₂O₃ у кількості, що відповідає 2 - 3 відсоткам від загальної маси активної речовини. Недостатня або ж надмірна кількість окису скандію значно погіршує емісійну здатність.

Комплексний аналіз даних, отриманих методом електронної оже-спектрометрії та даних емісійних досліджень, дозволяє стверджувати, що причиною зростання струму емісії кремнієвих автоемітерів в присутності скандію є утворення на їхній поверхні комплексу на основі окисів скандію і кремнію, що призводить до зменшення загальної роботи виходу. Було оцінено зміну абсолютного значення роботи виходу системи автоемітери-скандій виходячи з низькопольових ділянок реальних вольт-амперних характеристик зразків та з використанням теорії автоелектронної емісії Фаулера-Нордгейма. При цьому вважалося, що автоемісія відбувається з валентної зони та за відсутності виродження напівпровідника.

Найбільша зміна роботи виходу системи (0.13 еВ) має місце, коли на поверхню напорошено 1/3 моношару скандію, що відповідає максимуму емісійної здатності зразка. При цьому ж значенні покриття скандію спостерігається й найвища стабільність емісійної здатності зразків, що досліджувалися, у часі при анодній напрузі 700 В. Величина абсолютного значення роботи виходу зразка при такому покритті скандію - 4.92 еВ, підтверджує припущення, що електрони емітуються з валентної зони за невеликого ( 0.15 еВ) вигину зон.

Висновки

Аналіз отриманих в ході роботи експериментальних результатів дозволяє зробити наступні висновки:

1. При напорошенні барію на товстий шар кальцію і навпаки, процес адсорбції носить острівковий характер, а концентраційна залежність роботи виходу системи адсорбат-адсорбент є монотонною. Проте, при адсорбції кальцію на товстий шар барію вже на початковому етапі напорошення утворюється плівка (товщиною декілька моношарів), яка складається з суміші атомів барію та кальцію та має роботу виходу, що мало відрізняється від роботи виходу барію.

2. Адсорбція барію на окиси кальцію та скандію супроводжується утворенням тривимірних острівців, а концентраційна залежність роботи виходу системи адсорбат-адсорбент в присутності кисню є немонотонною (абсолютна зміна роботи виходу системи коливається в межах 0.5 - 1 еВ), причому мінімум роботи виходу досягається при субмоношарових покриттях барієм. Адсорбція кальцію на окис скандію також супроводжується утворенням тривимірних острівців кальцію, а концентраційна залежність роботи виходу системи є немонотонною (абсолютна зміна роботи виходу системи 0.5 еВ).

3. Прогрівання складної системи W-Sc₂O₃-Ca призводить до руйнування сандвіча з Sc- та Cа-компонент на поверхні вольфраму та утворення тривимірних острівців.

4. Між рівнем емісії скандатного металевопористого емітера і присутністю скандієвої компоненти на його робочій поверхні існує тісний взаємозв'язок, який полягає в тому, що висока емісійна здатність зразків спостерігається за наявності в оже-спектрі їхньої робочої поверхні оже-ліній скандієвої компоненти.

5. Вольт-амперні характеристики скандатних металевопористих емітерів в області обмеження анодного струму просторовим зарядом не описуються законом Чайльда-Ленгмюра і їхній комплексний аналіз дозволяє говорити про термоавтоелектронний характер емісії МПЕ.

6. Роль скандієвої компоненти в збільшенні емісійної здатності МПЕ полягає в створенні умов для суттєвого зростання автоемісійної складової анодного струму шляхом сприяння збільшенню кількості та зміні форми емітуючих центрів - кристалітів окисів лужноземельних металів. При цьому хімічний склад цих кристалітів у випадку скандатного металевопористого емітера є таким, що може сприяти суттєво глибшому проникненню електричного поля в їхній об'єм, наслідком чого також є зростання автоемісійної складової анодного струму.

7. Скандій активно впливає на емісійну здатність кремнієвих автоемітерів і в залежності від його кількості на поверхні, може як збільшувати, так і зменшувати їхню активність, аналогічно до випадку скандатних МПЕ.

8. У залежності активності кремнієвих автоемітерів від кількості скандію на їхній поверхні існує оптимум, який характеризується як високим струмом емісії так і високою стабільністю струму в часі при постійній анодній напрузі.

9. Зростання струму емісії кремнієвих автоемітерів в присутності скандію пояснюється утворенням на їхній поверхні комплексу на основі окисів скандію та кремнію, що сприяє зниженню загальної роботи виходу зразка.

Отримані результати можуть бути використані при подальшому вдосконаленні металевопористих емітерів, що дозволить розширити область використання емітерів такого типу в приладах вакуумної електроніки та мікроелектроніки.

Список опублікованих автором праць за темою дисертаційної роботи

1. Бех І.І., Лушкін О.Є., Шнюков В.Ф. Особливості росту плівки алюмінію на вольфрамі (110). // Вісн. Київськ. ун-ту. Сер. фіз.-мат науки. - 1997. - Вип. 4. - С. 308 - 313.

2. Бех И.И., Лушкин А.Е., Шнюков В.Ф. Адсорбция алюминия на грани (110) вольфрама. // Тезисы докл. XXIII международной кон-ференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии", Ташкент (Узбекистан). - 1997, - С. 26.

3. Бех И.И., Лушкин А.Е., Шнюков В.Ф. Свойства совместных пленок Ва и Са на W. // Тезисы докл. XXIII международной кон-ференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии", Ташкент (Узбекистан). - 1997, - С. 27.

4. Бех І.І., Лушкин О.Є. Шнюков В.Ф. Свойства совместных пленок бария и кальция на вольфраме. // Известия РАН. Сер. Физическая. - 1998. - Т. 62. - № 10. - С. 2057 - 2062.

5. Barth W., Shi F., Rangelow I.W., Lushkin A., Il'chenko L., Ilchenko V., Bekh I. Field emission cathode array with self-aligned gate electrode fabricated by silicon micromachining. // J. Vac. Sci. Technol. - 2000. - B. 18 (6). - P. 3544 - 3548.

6. Бех І.І., Лушкін О.Є., Лень Ю.А. Роль домішки оксиду скандію в поліпшенні емісійних властивостей металевопористих катодів. // Вісн. Київськ. ун-ту. Сер. радіофізика та електроніка. - 2001. - Вип. 3. - С. 16 - 20.

7. Бех И.И., Ильченко В.В., Лушкин А.Е. Адсорбция бария на окиси скандия. // Тезисы докладов III международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”, Саранск (Россия). - 2001, - С. 39.

8. Бех И.И., Ильченко В.В., Лушкин А.Е. Механизм роста пленки алюминия на грани (110) монокристалла вольфрама. // Тезисы докладов III международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”, Саранск (Россия). - 2001, - С. 40.

9. Бех І.І., Ільченко В.В., Костюкевич О.М., Лушкін О.Є. Вплив скандію на емісійні властивості металевопористих катодів. // Вісн. Київськ. ун-ту. Сер. фіз.-мат. науки. - 2003. - Вип. 2.- С. 237 - 245.

10. Бех И.И., Ильченко В.В., Лушкин А.Е. Состав поверхности и его влияние на эмиссионные свойства скандатных металлопористых катодов. // Тезисы доклада на IV международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”, Саранск (Россия). - 2003, - С. 35.

11. Bekh I.I., Il'chenko V.V., Lushkin A.E. The influencing of the surface structure on the emission properties of the Sc-Ba dispensed cathodes. // Тези доповіді на конференції “The 5^th International Vacuum Electron Sources Conference”, Beijing (China). - 2004, - P. 197.

12. Bekh I.I., Il'chenko V.V., Lushkin A.E. The influencing of the surface structure on the emission properties of the Sc-Ba dispensed cathodes. // Proceedings of “The 5^th International Vacuum Electron Sources Conference”. - Beijing (China). - 2004. - P. 8 - 9.

13. Бех І.І., Дмитришин О.А., Ільченко В.В., Лушкін О.Є., Присяжний В.В. Особливості механізму емісії скандатних металевопористих емітерів. // Вісн. Київськ. ун-ту. Сер. фіз.-мат науки.- 2005. - Вип. 4. - С. 269 - 274.

14. Ракітін С.П., Панічкіна В.В., Гетьман О.І., Ільченко В.В., Лушкін О.Є., Бех І.І. Вивчення механізму емісії високострумових імпрегнованих скандатних катодів. // Зб. “Фундаментальні орієнтири науки. Хімія та наукові основи перспективних технологій.”- К.: “Академперіодика”. - 2005. - C. 224 - 238.

15. Bekh I.I., Il'chenko V.V., Lushkin A.E. The influence of the scandium on the emission properties of the Si-tip field emitters. // Proceedings of the “Fifth international young scientists' conference on applied physics”. - Kiev (Ukraine). - 2005. - P. 95 - 96.

16. Бех И.И., Гетьман О.И., Лушкин А.Е., Паничкина В.В., Ракитин С.П. Химический состав поверхности скандатных катодов до и после испытаний на долговечность. // Материалы международной конференции “Современное материаловедение: достижения и проблемы”. - Киев (Украина). - 2005. - С. 485 - 486.

17. Bekh I.I., Dmytryshyn O.A., Il'chenko V.V., Lushkin A.E., Prysyazhnyj V.V. Unusual behavior of i-v characteristics of the Sc-Ba dispensed cathodes. // Proceedings of the I International conference “Electronics and Applied Physics”. - Kiev (Ukraine). - 2005. - P. 74 - 75.

18. Бех І.І., Ільченко В.В., Лушкін О.Є. Вплив скандію на емісійні властивості кремнієвих автоемітерів. // “Український фізичний журнал”. - 2006. - Т. 51. - № 4. - С. 387 - 390.

Размещено на Allbest.ru