Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время широкое распространение получили газоразрядные лазеры, важнейшим элементом которых является эмиттер электронов, необходимых для поддержания разряда, - холодный катод [1]. Газоразрядные, в частности, He-Ne лазеры находят широкое применение в различных областях науки, техники, промышленности как основа лазерных систем с большим функциональным спектром применения.
Одно из важнейших требований, предъявляемым к катодам газовых лазеров - способность сохранять рабочие параметры при контакте эмити-руюших поверхностей с газовой средой. Это обеспечивают защитные свойства тонкой окисной пленки. Особенно широко используются в этом плане тонкие пленки AI2O3 и ВеО, для которых характерно сочетание высоких температуры плавления, теплопроводности и диэлектрических параметров. В то же время необходимо отметить, что подобные пленки не только выполняют конструктивную «защитную» функцию, но и являются активными элементами электронных структур.
К периоду формирования цели и задач настоящей диссертационной работы были созданы высокоэффективные холодные катоды на основе оксидов металлов [1], однако природа механизмов, обеспечивающих инжек-цию и эмиссию носителей заряда, и возможности управления ими оставались недостаточно выясненными. В большинстве исследований не учитывалась роль структуры металл-оксид металла в формировании эмиссионных свойств, практически отсутствовали сведения о физических свойствах тонкопленочных структур на основе ВеО.
Целью настоящей работы явилось комплексное исследование механизмов формирования инжекционно-эмиссионных токов в тонкопленочных структурах металл - оксид металла AI-AI2O3 и Ве-ВеО и физико-технических свойств макетов холодных катодов на их основе.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
1. Провести анализ возможностей применения тонкопленочных струк
тур металл - оксид металла в качестве основы холодных катодов газораз
рядных устройств.
Провести компьютерное моделирование процессов инжекции и эмиссии носителей заряда в тонкопленочных структурах AI-AI2O3 и Ве-ВеО.
Провести компьютерное моделирование процессов модификации поверхности и объема тонкопленочных структур AI-AI2O3 и Ве-ВеО под действием ионно-электронной бомбардировки.
Провести экспериментальное исследование физических характеристик тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО при их использовании
в качестве холодных катодов He-Ne лазеров, работающих в режиме аномального тлеющего разряда.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые проведены комплексные исследования механизмов формирования инжекционно-эмис-сионных токов в тонкопленочных структурах А1-А120з и Ве-ВеО, процессов модификации их поверхности и объема под действием ионно-элек-тронной бомбардировки. Предложены зонные диаграммы изученных структур для анион-дефектного диэлектрика и в условиях сильных электрических полей. Изучены инжекционные токи ТОПЗ, Пула-Френкеля, Фаулера-Нордгейма в зависимости от приложенного электрического поля, толщины диэлектрического слоя, глубины залегания и концентрации ловушек носителей заряда. Исследованы физические процессы, инициируемые ионно-электронной бомбардировкой: селективное распыление поверхности оксида металла, дефектообразование, ионное и электронное внедрения в объем диэлектрического слоя.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные автором аналитические и экспериментальные исследования могут быть использованы для научно-обоснованного создания высокоэффективных холодных катодов на основе наноструктур, содержащих в качестве важнейшего функционального элемента диэлектрическую пленку. Предложены физические механизмы управления процессами инжекции и эмиссии электронов в исследованных структурах. Разработана методика электрон-но-флуктуационной диагностики дефектности тонких металлических пленок. Результаты экспериментального исследования макетов холодных катодов на основе структур AI-AI2O3 и Ве-ВеО показали, что их долговечность выше, чем у известных аналогов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Наличие анионных дефектов в диэлектрике приводит к существенному понижению потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик в структурах А1-А120з и Ве-ВеО и усилению процессов инжекции электронов через нее.
Наличие глубоких центров - ловушек носителей заряда в диэлектрическом слое структур AI-AI2O3 и Ве-ВеО приводит к возникновению пространственного заряда и формированию инжекционных токов, ограниченных им (ТОПЗ).
В результате малой толщины диэлектрического слоя (не более 50 нм) инжекция электронов в структурах AI-AI2O3 и Ве-ВеО обеспечивается активационным механизмом Пула-Френкеля и туннельным механизмом Фаулера-Нордгейма. Изменение толщины диэлектрического слоя и его дефектности (типа и концентрации ловушек) позволяет варьировать их вклады в результирующие инжекционно-эмиссионные токи.
В условиях ионно-электронной бомбардировки поверхности структур А1-А120з и Ве-ВеО глубина внедрения ионов Не сравнима с толщиной
слоя, что приводит к легированию диэлектрического слоя структуры и изменению его электрофизических характеристик.
5. Макеты цилиндрических холодных катодов, созданных на основе исследованных тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО, обладают долговечностью выше 3-10 ч, что превышает соответствующую характеристику известных аналогов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на 16 научных конференциях, в том числе на всероссийских конференциях «Математика в современном мире» (Калуга, 2001, 2004), Международной конференции по материаловедению и физике конденсированного состояния (Кишинев, Молдова, 2001), всероссийских конференциях «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Москва, Калуга, 2001, 2004, 2005), международных конференциях по физике электронных материалов (Калуга, 2002, 2005), Международной конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003), Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и бизнесе» (Тирасполь, Молдова, 2003), XVI Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, Украина, 2006), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем» (Москва, 2006), и др. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в Калужском государственном педагогическом университете имени К.Э.Циолковского. По материалам диссертации опубликовано 23 работы. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автору принадлежит конкретизация решаемых задач, определение методов и подходов к их решению, обработка и обобщение полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общих выводов), списка литературы из 233 наименований. Она содержит 191 машинописную страницу, включая 51 рисунок и 2 таблицы.
