Введение к работе
Актуальность темы.
В течение последних лет проблемы низкополевой электронной эмиссии из нано-структурированных материалов привлекают все возрастающее внимание исследователей во всем мире. Особое место в этих исследованиях занимают углеродные материалы. Открытие нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Низкополевая электронная эмиссия происходит из наноразмерного, проводящего электрический ток образования, окруженного изолирующей фазой или вакуумом. Высокая эмиссионная способность такого нанообъекта определяется не только геометрическим фактором усиления электрического поля, но и пониженным потенциальным барьером для туннелирования электронов в вакуум из этой области. Полевая эмиссия является наиболее экономичным видом эмиссии свободных электронов, а это дает возможность создания новых поколений эффективных электронных приборов с новыми свойствами. Среди актуальных задач современной наноэлектро-ники важное место отводится созданию стабильных полевых эмиссионных (автоэмиссионных) катодов, способных длительное время работать в условиях высокого технического вакуума (Ю-7 - 10_6 мм рт. ст.). Преимущества полевых эмиссионных катодов (ПЭК) по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны. К их числу относятся: отсутствие накала, высокая плотность тока, устойчивость к колебаниям температуры, малая чувствительность к внешней радиации, безынерционность, экспоненциально высокая крутизна вольт-амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования ПЭК в различных электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, в частности, в полевом электронном микроскопе, сканирующем туннельном микроскопе. Основная трудность в создании стабильных ПЭК состоит в том, что полевая эмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации ПЭК различные процессы, происходящие на его поверхности, такие, как ионная бомбардировка, пондемоторные нагрузки, поверхностная миграция, приводят к ряду эффектов, изменяющих режим их работы. Применительно к математическим моделям это, прежде всего, относится к решению задач в трехмерной постановке. Детальный количественный анализ таких моделей необходим при сравнении теории и эксперимента. Он становится важным элементом проектирования, позволяя предварительно проанализировать возможности новых приборов. Поэтому задача разработки математических моделей эмиссионных систем на основе полевых катодов является, несомненно, актуальной.
Цель диссертационной работы состоит в разработке математических моделей полевых эмиттеров, позволяющих описывать диодные и триодные эмиссионные системы. Практическая реализация поставленной цели потребовала решения нескольких взаимообусловленных и взаимодополняющих задач:
-
Разработка физических моделей осесимметричных диодных и триодной электронно-оптических систем на основе полевого лезвийного электронного катода.
-
Создание математических моделей данных систем.
-
Расчет эмиссионных характеристик систем формирования электронного пучка с учетом их особенностей.
В процессе исследования были решены следующие задачи:
1. Разработана математическая модель диодной эмиссионной системы с плоским
анодом и полевым катодом с острой кромкой.
-
Разработана математическая модель диодной электронно-оптической системы на основе электронного катода с торообразным краем.
-
Разработана математическая модель диодной системы с анодом в виде диафрагмы с отверстием.
-
Разработана математическая модель триодной эмиссионной системы с модулятором, представляющий собой плоскую диафрагму с круговым отверстием.
-
Создан комплекс программ, реализующий математические модели электронных пушек с полевыми катодами.
Методы исследования.
Основными методами исследования являются методы математической физики, теории дифференциальных уравнений, математического и компьютерного моделирования, численные методы прикладного программирования.
Научная новизна.
Результаты, выносимые на защиту получены впервые и являются новыми.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при разработке приборов эмиссионной нано- и микроэлектроники. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии и имеют прикладное значение. Предложенные модели позволяют производить расчет основных параметров приборов и устройств, для которых острийные эмиссионные системы являются основным элементом (инжекторы электронных ускорителей, сканирующие электронные микроскопы, высокочастотные генераторы, плоские дисплеи и т.д.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Математические модели диодных систем на основе полевых катодов с острой кромкой, торообразным краем, анодом в виде диафрагмы с отверстием.
-
Математическая модель триодной эмиссионной системы с модулятором, представляющим собой плоскую диафрагму с круговым отверстием.
-
Комплекс программ, реализующий математические модели разработанных диодных и триодных систем с полевыми лезвийными катодами.
Апробация работы.
Основные результаты докладывались на 39-й и 40-й международных конференциях студентов и аспирантов "Процессы управления и устойчивость"(СПб, СПб-ГУ, факультет ПМ-ПУ, 2008, 2009 гг.); международных семинарах "Beam Dynamics Optimization"(СПб, 2008г.); Всероссийской конференции, посвященной 80-летию со дня рождения В.И. Зубова «Устойчивость и процессы управления» (Санкт-Петербург, 2010). Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на заседаниях кафедры моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета Прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета.
Публикации.
По материалам публикации опубликованы 5 работ, 2 из которых в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ [3, 4]. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 104 страниц, среди которых 10 таблиц и 9 рисунков. Список литературы включает 125 наименования.
