Введение к работе
Актуальность темы. Открытие автоэлектронной эмиссии позволило создать новые фундаментальные методы исследования топологии поверхности с атомарным разрешением и привело к появлению совершенно новой области микро- и наноэлектроники - вакуумной микроэлектроники. На базе больших массивов автоэмиссионных катодов создаются дисплеи нового поколения FED (Field Emission Display) и системы визуализации на их основе. Единичные автокатоды с наноразмерной эмитирующей областью нашли применение в электронно-зондовых системах: просвечивающих и растровых электронных микроскопах атомного разрешения, туннельных микроскопах, в системах электронной литографии и оже-спектроскопии. Также активно реализуется идея электронной голографии, позволяющей получать объемные изображения атомных объектов.
Исследования последних лет в области технологий создания нано- и микросистемной техники с одной стороны открьшают возможности создания эмитирующих структур с хорошо воспроизводимым микро- и нанорельефом, а с другой требуют использования принципиально новых инструментов исследования и оперирования микро- и нанообъектами. Соединение возможностей современной сканирующей зондовой микроскопии и способности управления сверхтонкими электронными пучками высокой интенсивности открывает новые перспективы в развитии наноиндустрии.
Наиболее перспективным материалом для устройств нано- и
микросистемной техники является кремний. Причиной этого является
возможность применять отработанные в микроэлектронной
промышленности групповые технологические операции,
обеспечивающие изготовление больших партий миниатюрных изделий в едином технологическом процессе. Данный факт обуславливает низкую себестоимость отдельных устройств и высокую рентабельность производства в целом. Не являются исключением и эмитирующие структуры - кремниевая технология МЭМС позволяет изготавливать как единичные наноразмерные эмиттеры, так и массивы автокатодов с заданной геометрией, а также многоэлектродные интегральные эмиссионные узлы и матрицы.
Тем не менее, возможность широкого прикладного использования автоэлектронной эмиссии по-прежнему ограничивается наличием ряда
нерешенных физических проблем. К ним относится плохая
воспроизводимость эмиссионных характеристик, нестабильность
эмиссионного тока, и деградация катодов в процессе работы. Основной
причиной деградации автокатодов в литературе называют
интенсивное тепловыделение при прохождении через катод тока
проводимости. Известно, что максимально возможная в теории
Фаулера-Нордгейма плотность эмиссионного тока может достигать
значения 1,1-1011 А/см2 . Это соответствует случаю полного снятия
потенциального барьера на границе катода внешним полем, когда
достигается полная туннельная прозрачность барьера. В
действительности практически достижимые плотности тока
оказываются намного меньше, так как гораздо раньше происходит разрушение эмиттера, связанное в частности с тепловым разогревом катода и возникающей перестройкой фазовой структуры острия и его деградацией.
Преодоление указанных трудностей требует детального анализа механизмов развития тепловой деградации автоэлектронного эмиттера. В связи с изложенным выше, вопросы теплопроводности и фазовой динамики в кремниевом автокатоде с наноразмерной эмитирующей областью, рассмотренные в данной диссертации, имеют важное теоретическое и прикладное значение.
Целью работы является моделирование процессов теплопроводности и фазовой динамики в кремниевом острийном автокатоде с наноразмерной эмитирующей областью, а также экспериментальное исследование факторов, влияющих на деградацию кремниевого катода в процессе автоэлектронной эмиссии.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие конкретные задачи:
Проведен анализ литературных данных по моделированию процессов теплопроводности в автоэмиссионных катодах и выбрано направление исследования.
Изготовлены экспериментальные образцы кремниевых острийных автокатодов с наноразмерной эмитирующей областью.
Разработана экспериментальная оснастка, программа и методики проведения экспериментальных исследований.
Проведены экспериментальные исследования факторов, влияющих на тепловую деградацию кремниевых катодов.
Проведены расчеты и численное моделирование распределения температуры в объеме катода с использованием средств автоматизированного проектирования.
Разработана физико-математическая модель, описывающая температурную и фазовую динамику острийного кремниевого автокатода при наличии в объеме эмиттера участков с твердой и жидкой фазами.
Разработано программное обеспечение и проведены численные расчеты процессов теплопроводности и движения границ раздела фаз в острийном автокатоде в соответствии с разработанной физико-математической моделью.
Проведена проверка соответствия результатов экспериментального исследования и расчетов по выбранной физико-математической модели. Личный вклад автора определен подготовкой и проведением экспериментальных исследований; непосредственным участием в постановке и решении термодинамических задач; проведением численных расчетов как с помощью средств автоматизированного проектирования (SolidWorks), так и посредством реализации собственных программ; непосредственным участием в аштробации технологического маршрута изготовления кремниевых автоэмиссионных катодов с наноразмерной эмитирующей областью и тугоплавкими покрытиями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые проведено теоретическое исследование эффекта локализации зоны термической деформации в кремниевом острийном автоэмиссионном катоде.
Впервые создана физико-математическая модель, описывающая острийный автоэмиссионный катод как двухфазную систему и учитывающая действие поверхностного натяжения на границе раздела твердой и жидкой фазы.
Указанная модель основана на постановке задачи Стефана со свободной границей и включает уравнения системы фазового поля. Данная задача в подобной постановке в приложении к автоэмиссионному катоду решается впервые.
В ходе численного эксперимента с использованием указанной модели получены пространственно-временные распределения температуры и положения границ раздела фаз в эмиттере. Показано, что при наличии в начальный момент времени в объеме автоэлектронного
эмиттера участка с жидкой фазой (расплавом), локализованного на некотором расстоянии от вершины, границы данного участка со временем смещаются ближе к основанию катода. В условиях эксперимента зона расплава не выходит на вершину катода. 5. В результате экспериментального исследования зависимости характера тепловой деградации кремниевого острийного автоэмиссионного катода от среднего уровня отбираемого тока эмиссии зафиксирован эффект локализации зоны расплава на расстоянии 1-5 мкм от вершины катода. Установлены границы диапазона токов эмиссии, при которых наблюдается локализация зоны расплава. Наблюдаемый эффект находится в согласии с результатами численного моделирования.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Модифицирован технологический маршрут изготовления кремниевых острийных автокатодов с радиусом скруглення острия менее 10 нм с различными покрытиями. При изготовлении катодов используются групповые процессы МЭМС-технологии. Данный технологический маршрут может быть положен в основу базовой мехатронной технологии формирования широкого спектра эмиссионных и зондовых микроустройств.
Создана физико-математическая модель, позволяющая реализовать численные эксперименты, направленные на выработку математически обоснованных рекомендаций по оптимизации геометрии, свойств материала и режимов работы автоэмиссионных катодов. Именно успешное создание корректных физико-математических моделей эмитирующих микроструктур позволит разработать конструктивные и технологические решения, способные в будущем обеспечить приоритет и конкурентоспособность конечных продуктов данной технологии, являющихся востребованными на достаточно объёмных и быстро растущих рынках средств визуализации и научно-исследовательского оборудования.
Выход на рынок электронно-лучевых приборов с автоэмиссионным
катодом создаст условия для широкого распространения
высокоразрешающих средств визуализации нового поколения и
обеспечит следующие эффекты:
- общее повышение качества целого ряда информационных
технологий;
освоение принципиально новых возможностей в специальных применениях;
замещение части импорта средств визуализации отечественными изделиями;
повышение конкурентоспособности отечественных изделий, поставляемых за рубеж (например, авиации, транспортных средств, объектов энергетики, дистанционных беспилотных средств, систем обучения и тренажерных комплексов, медицинского оборудования и т.п.).
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты компьютерного моделирования теплораспределения в острийном кремниевом автоэлектронном эмиттере, выполненные с использованием средств автоматизированного проектирования. Максимум температуры достигается на вершине катода. Показано, что при токах выше 0,5 мкА температура вершины приближается к температуре плавления материала катода.
Результаты экспериментального исследования факторов, влияющих на деградацию автоэмиссионных катодов. Установлено, что при среднем уровне тока менее 0,5 мкА наблюдается локализация области тепловой деформации в средней части катода на некотором удалении от вершины. При токах выше 0,5 мкА наблюдается расплавление вершины. Характер и степень деградации катода в условиях эксперимента не зависят от продолжительности отбора эмиссионного тока.
Физико-математическая модель, описывающая острийный автоэмиссионный катод, как двухфазную систему, и учитывающая действие поверхностного натяжения на границе раздела твердой и жидкой фаз в объеме автокатода. В модели используется постановка задачи Стефана со свободной границей дополненная уравнениями системы фазового поля.
Результаты численных расчетов по созданной модели: пространственно-временные распределения температуры и положения границ раздела фаз в эмиттере. Показано, что при наличии в начальный момент времени в объеме автоэлектронного эмиттера участка с жидкой фазой (расплавом), локализованного на некотором расстоянии от вершины, границы данного участка со временем смещаются ближе к основанию катода. В то же время температура вершины катода растет со временем под действием эффекта Джоуля.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на 14-ой научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (г. Сочи 2007 год) и 1-ом Международном форуме по нанотехнологиям РОСНАНО (Москва, Экспоцентр, 2008 г.)
Публикации.
Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в 11 научных публикациях, в том числе 4 статьях (в том числе 4 по перечню ВАК) и 2 докладах на научных конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Работа составляет 139 страниц, включает 51 рисунок и 3 таблицы. Библиографический список насчитывает 67 наименований.
