Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Для создания современных приборов большой интерес представляют источники электронов на основе автоэлектронной эмиссии из микро- и наноструктур. Такие структуры имеют широкий спектр применения: полевые эмиссионные дисплеи, устройства СВЧ, микро- и наносенсоры, компьютеры нового поколения, единичные автоэмиссионные катоды в электронно-зондовых системах и др.
Автоэмиссионные катоды работают при высокой напряженности электрического поля (порядка 107 В/см). Для достижения такой высокой напряженности поля им придают форму острий или лезвий, что позволяет получать локальное усиление электрического поля. Современные технологии лучевой литографии позволяют формировать структуры субмикронных размеров. Это послужило основой нового этапа развития автоэмиссионных приборов.
Приборы, на основе автоэлектронной эмиссии по сравнению с термо- и фотоэмиссионными обладают рядом преимуществ: не требуют дополнительных затрат энергии (нагрев, облучение), позволяют получать высокую плотность тока эмиссии, вольт-амперные характеристики таких приборов имеют экспоненциально высокую крутизну, стабильны в широком диапазоне рабочих температур, безынерционны, устойчивы к радиации, имеют низкий уровень шума и высокое быстродействие. В процессе эксплуатации таких приборов на поверхности автоэмиссионных катодов протекают различные процессы, которые оказывают негативное влияние на стабильность работы: ионная бомбардировка катода, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция атомов и другие. Перечисленные процессы, в зависимости от режимов работы автоэмиссионных приборов, приводят к катодному распылению, изменению геометрии эмитирующей поверхности, разогреву катода током эмиссии с последующим его разрушением, изменению работы выхода электронов. Все перечисленные эффекты снижают стабильность работы эмиссионных приборов.
В настоящее время ведутся исследования, направленные на повышение стабильности работы автоэмиссионных приборов. Так в работах Лучинина В.В. предложено использовать карбид кремния для создания эмиссионных структур методом фокусированных ионных пучков. Здесь использование карбида кремния обусловлено его устойчивостью к внешним воздействиям, что проявляется в высоких значениях теплопроводности, температуры плавления, химической, радиационной и лучевой стойкости. Одним из недостатков эмиссионных структур на основе карбида кремния является высокая работа выхода электронов. Такие приборы имеют высокие рабочие напряжения. Для снижения рабочих напряжений необходимо на эмитирующую поверхность наносить тонкие пленки материалов, обладающих низкой работой выхода, а также проводить дальнейшее уменьшение размеров таких структур. Использование пленок графена является перспективным для этих целей, благодаря тому, что они обладают низкой работой выхода электронов, имеют высокую адгезионную прочность к карбиду кремния и стабильность, могут быть получены на всей поверхности подложки путем термического разложение карбида кремния в вакууме.
В настоящее время процесс получения пленок графена на карбиде кремния еще не достаточно изучен. Не изучено также влияние конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов с пленками графена на поверхности карбида кремния на эмиссию электронов. Решение этих вопросов является актуальной задачей современной микро- и наноэлектроники.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является, разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ современного состояния исследований микроэлектронных автоэмиссионных приборов на основе углеродных материалов.
-
Провести математическое моделирование распределения электрического поля в межэлектродном зазоре и эмиссионных характеристик различных конструкций автоэмиссионных катодов.
-
Исследовать возможность получения максимальных напряженностей электрического поля при минимальных рабочих напряжениях в различных конструкциях автоэмиссионных катодов.
-
Экспериментально исследовать влияние технологических режимов на морфологию поверхности и спектры комбинационного рассеяния света пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.
-
Разработать конструкцию автоэмиссионных катодов и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния с использованием метода фокусированных ионных пучков.
Научная новизна работы
-
-
Установлены закономерности влияния конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов различной формы (острие, лезвие и планарного типа) на коэффициент усиления электрического поля, величину напряженности электрического поля и эмиссионных характеристики.
-
Установлена неоднородность поля вдоль эмитирующей поверхности в планарных эмиссионных структурах и в структурах в форме лезвия, предложены конструкции эмиссионных структур, в которых ее можно избежать.
-
Согласно экспериментальным исследованиям автоэмиссионных характеристик наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния установлено, что при расстояниях между анодом и катодом 1-5 нм, эмиссия электронов возможна на воздухе.
Практическая значимость
1. Экспериментально определены режимы получения пленок графена на карбиде кремния (полуизолирующий и n-типа) методом термического разложения в вакууме при давлении 10-3 Па. Температура предварительного отжига 900 оС, температура окончательного отжига 1300 оС.
-
-
-
Разработаны конструкции и технологии изготовления эмиссионных ячеек на основе пленок графена на карбиде кремния. На основании результатов моделирования установлено, что планарные автоэмиссионные катоды в форме диска и кольца обладают высокой однородностью электрического поля вдоль всей эмитирующей поверхности.
-
Показана возможность применения метода фокусированных ионных пучков (диаметр пучка 12 - 20 нм) для формирования наноразмерных автоэмиссионных структур с пленками графена на карбиде кремния.
-
Показана перспективность применения пленок графена на карбиде кремния (полуизолирующий и n-типа) в приборах эмиссионной электроники.
Положения, выносимые на защиту
-
-
-
-
Особенности эмиссии электронов при переходе от микроэлектронных к наноразмерным структурам, заключающиеся в уменьшении требований к степени вакуума в эмиссионных приборах и уменьшении влияния объемного заряда на эмиссионные характеристики.
-
Технологические режимы получения пленок графена на поверхности карбида кремния при использовании метода термического разложения в вакууме при давлении 10-3 Па.
-
Закономерности изменения напряженности электрического поля в межэлектродном зазоре наноразмерных автоэмиссионных структур различных конструкций.
-
Конструкции и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных ячеек на основе пленок графена на карбиде кремния, работающих при напряженностях поля на 1 -2 порядка меньших по сравнению с обычными приборами вакуумной эмиссионной электроники.
-
Результаты исследований эмиссионных характеристик наноструктур при межэлектродных расстояниях 1, 3 и 5 нм, на основании которых была определена работа выхода электронов из пленок графена на карбиде кремния.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР) кафедры ТМиНА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2009-2012 гг.: НИР № 301.38.06.52 «Разработка и исследование физических и технологических принципов создания микро- и наноприборов и систем для мониторинга окружающей среды», НИР № 301.38.06.51 «Разработка принципов построения и основ теории технологических процессов создания упорядоченных массивов наноструктур для квантовых и молекулярных наноэлектронных и наномеханических систем».
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «Центр лазерных технологий» (г. Таганрог), ООО «АВИАОК Интернейшенел» (г. Таганрог), а также в учебный процесс на кафедре ТМиНА ФЭП ФГАОУ ВПО ЮФУ.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Нанотехнологаи-20Ш» (Геленджик, 19-24 сентября 2010 г.); III Международной научно-технической конференции микро- и нанотехнологии в электронике (Нальчик, 11-16 октября 2010 г.); II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2010»: Беларусь-Россия- Украина (НАН0-2010) (Киев, 19-22 октября 2010 г.); VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 11-25 апреля 2011 г.); V Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, 9 -15 октября 2011 г.); 14-ой научной молодежной школе Физика и технология микро - и наносистем (Санкт- Петербург, 24-25 ноября 2011 г.); 5-ой Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (SEMST-5) (Украина, Одесса, 4-8 июня 2012 г.). Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - 2012» ТТИ ЮФУ (Таганрог, 25-29 июня 2012 г);
За участие в конкурсе «Инновационных разработок ТТИ ЮФУ» работа отмечена дипломом первой степени в номинации «Инновационная идея». За участие в конкурсе «Молодой инноватор города Таганрога-2012» работа отмечена дипломом второй степени в номинации «Инновационная идея».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей, 4 из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем работы составляет 145 страниц, включая 106 рисунков, 5 таблиц, и 111 наименований списка использованной литературы.
Похожие диссертации на Разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния
-
-
-
-
-
-
