ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭМИТТЕР

Полезная модель относится к вакуумной электронике, а более конкретно, к полевым электронным эмиттерам.
Известен полевой электронный эмиттер [Патент США №6, 538, 367, опубл. 25.03.2003], содержащий массив высоко ориентированных нанопроводников. Электронная эмиссия из такой наноструктуры индуцируется на концах нанопроводников, где в наибольшей степени концентрируется электрическое поле. С уменьшением расстояния между нанопроводниками концентрация поля на их концах снижается за счет эффекта экранирования, и тем самым ухудшается эмиссионная способность как отдельных элементов наноструктуры - нанопроводников, так и наноструктуры в целом. Введено ограничение на расстояние между нанопроводниками, которое должно быть не меньше 10% от длины нанопроводников. При этом напряженность поля на концах нанопроводников в массиве составляет 50% от напряженности поля на конце одиночного нанопроводника. Указанное выше ограничение на расстояние между нанопроводниками обуславливает соответствующее ограничение плотности центров электронной эмиссии наноструктуры, либо снижение эффективности эмиссии, что является недостатком известного полевого электронного эмиттера.
Известное устройство по своей технической сущности является наиболее близким аналогом к предлагаемому.
В полезной модели решается задача по повышению плотности эмиттеров при сохранении их эмиссионной эффективности
0
0
0
0
Задача решается тем, что в полевом электронном эмиттере, содержащем массив ориентированных нанопроводников, на концах упомянутых нанопроводников расположены наночастицы с шириной не меньшей, чем ширина нанопроводников, и линейным размером по направлению вдоль упомянутых нанопроводников, удовлетворяющим условию: d≤d·m/m*, где d - линейный размер наночастицы, m - масса свободного электрона, m* - эффективная масса электрона в наночастице, d=5 нм.
Сущность полезной модели поясняется Фиг.1-3.
На Фиг.1 приведен схематически в разрезе полевой электронный эмиттер, где: 1 - подложка; 2 - нанопроводник; 3 - наночастица, а - расстояние между нанопроводниками, b - ширина нанопроводника, с - характерная ширина наночастицы, d - характерный
размер наночастицы по направлению вдоль нанопроводника (d≥с), h - длина нанопроводника, F - линии электрического поля.
s
S
S
S0
S
S0
S
S0
S
S0
2
На Фиг.2 приведены схематически зависимости эмиссионного тока I из элемента наноструктуры на основе ориентированных нанопроводников от напряженности электрического поля F на конце элемента, построенные в координатах Фаулера-Нордхейма {1/F; log(I/F )} при отсутствии наночастицы на конце нанопроводника (график 1) и при наличии наночастицы на конце нанопроводника (график 2). Введено обозначение: F - напряженность поля на конце одиночного элемента. Точкой А на графиках 1 и 2 отмечены токи эмиссии из одиночных элементов при F=F (нормированы на 1); точкой В на графике 1 отмечен ток эмиссии из конца нанопроводника в массиве при F=F/2; точкой С на графике 2 отмечена напряженность поля F=F/k (k>2) в области наночастицы в массиве при уровне тока эмиссии, соответствующего току в точке В.
1
2
c
vас
F
1
2
На Фиг.3 приведена энергетическая диаграмма электронных состояний в наночастице в направлении вдоль нанопроводников (по оси Z) в равновесии (а) и условиях полевой электронной эмиссии (b). Использованы следующие обозначения: E, Е - дискретные уровни в зоне проводимости квантовой ямы; Е - энергетическое положение дна зоны проводимости; Е - уровень вакуума; Е - уровень Ферми; w - ширина потенциального барьера для туннелирования электронов из наночастицы с основного уровня E в вакуум; D(E) - плотность электронных состояний в наночастице; |Ψ| квадрат модуля Ψ-функции электронов.
Предлагаемый полевой электронный эмиттер содержит плоскую подложку 1, расположенную нормально к этой подложке периодическую систему нанопроводников 2, на концах которых находятся наночастицы 3 (Фиг.1).
Предлагаемый полевой электронный эмиттер работает следующим образом.
При приложении электрического поля к наноструктуре электроны протекают из подложки 1 по нанопроводникам 2 и инжектируются в наночастицы 3, в области которых концентрация электрического поля максимальна (Фиг.1). При условии, что ширина наночастицы больше, чем ширина нанопроводника, концентрация поля в области наночастицы (фактор усиления поля β) определяется отношением длины нанопроводника h к ширине наночастицы с и степенью экранирования поля соседними элементами системы нанопроводников, зависящей от расстояния а между нанопроводниками. Инжектированные в наночастицы электроны эмитируются под действием электрического поля в вакуум и дрейфуют в вакууме вдоль линий электрического поля F, создавая эмиссионный ток.
S
S
S
S0
S
S
S0
S
S
2
2
Повышение плотности эмиссионных центров в предлагаемом устройстве по сравнению с упомянутым аналогом поясняется с помощью Фиг.2. Наклон представленной на Фиг.2 зависимости log(I/F ) от 1/F пропорционален высоте потенциального барьера для выхода электронов в области эмиссии. При заданной напряженности поля F=F эмиссионный ток из конца одиночного нанопроводника имеет значение, отмеченное точкой А на графике 1. Снижение поля F до 50% от первоначальной величины (F=F/2) вследствие экранирования поля в массиве нанопроводников приводит к уменьшению эмиссионного тока (точка В на графике 1). Когда на конце нанопроводника помещена наночастица, характеризующаяся высотой потенциального барьера меньшей, чем у нанопроводника, наклон зависимости log(I/F ) от 1/F становится более плавным. Поэтому для того, чтобы уменьшить эмиссионный ток в столько же раз, сколько в предыдущем случае, нужно снизить электрическое поле больше, чем в 2 раза. Это означает, что заданная эффективность эмиссии обеспечивается в предлагаемом устройстве при большей плотности элементов наноструктуры.
n
n
с
0
B
B
0
0
0
0
0
1
1
1
S
1
S
1
S
S
vac
c
vас
c
sе
S
1
2
2
2
2
-1/2
3/2
Уменьшение высоты потенциального барьера для выхода электронов из наночастицы связывается с проявлением в ней квантово-размерных эффектов. На Фиг.3 наночастица рассматривается как квантовая яма. Отщепление n-того уровня квантовой ямы от дна зоны проводимости составляет ΔЕ=Е-Е=nπh/2m*d (h - постоянная Планка, m* - эффективная масса электрона в наночастице). Когда линейный размер наночастицы по направлению вдоль нанопроводников становится d≤d=πh(2m*kТ) (k - постоянная Больцмана, Т - температура), энергетический спектр электронных состояний наночастицы становится дискретным. При Т=300К, m*=m (m - масса свободного электрона) критическая толщина d~5 нм. В условиях полевой эмиссии электроны туннелируют с дискретных энергетических состояний через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. При d≤<d·m/m* электронный выход J с основного энергетического уровня E доминирует, Соотношение между электронным выходом J и напряженностью F поля на конце нанопроводника представляется в виде log(J)∝-(Ф-ΔE)/F, где Ф=E-E - энергетическая разность между уровнем вакуума Е и дном зоны проводимости Е, или сродство к электрону макрообъема, составляющего наночастицу материала. Энергетическая величина Ф=Ф-ΔE имеет физический смысл сродства к электрону материала наночастицы и характеризует высоту потенциального барьера для выхода электронов из наночастицы. Из приведенных выше соотношений следует, что в принципе этот потенциальный барьер можно выполнить сколь угодно малым за счет контролируемого уменьшения линейного размера наночастицы вдоль направления нанопроводников.
Таким образом, введение в конструкцию полевого электронного эмиттера наночастиц решает техническую задачу по повышению пространственного разрешения эмиссии из наноструктуры на основе ориентированных нанопроводников.
Пример процесса изготовления полевого электронного эмиттера по настоящей полезной модели будет описан ниже.
2
4
-8
+
На поверхность кремниевой подложки выращивается слой алмазоподобного углеродного материала методом усиленного полем плазмо-химического осаждения (УП ПХО) в атмосфере СН. Перед нанесением рабочая камера откачивают до давления менее 5×10 Торр, и выполняют очистку поверхности кремниевой подложки 300 мА пучком ионов Аr под напряжением 300 В в течение 40 с. Выращивание пленок осуществляют при напряжениях 200-300 В. Подложку помещают под углом 40° относительно плазменного пучка. Во время нанесения держатель образца вращается со скоростью 15 оборотов/мин. В данных условиях скорость нанесения составляет 8-12 нм/мин. Толщина выращенного слоя составляет 100 нм. Изготовленный таким образом исходный образец помещают в сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - литограф. В камеру СТМ-литографа напускают аргон. К поверхности слоя подводят заземленную вольфрамовую иглу в режиме поддержания туннельного тока 0,1 нА при постоянном напряжении между образцом и зондом +3 В. Между иглой и образцом в заданной точке поверхности слоя подают импульсы положительного электрического напряжения амплитудой 10 В и длительностью 10 мс. В ходе литографии поддерживают ток 1 нА. В результате локального электрического воздействия происходит фазовое превращение материала слоя из алмазоподобного в графитоподобное состояние и формируется нанопроводник длиной 100 нм и шириной 5 нм. Процесс повторяют на поверхности подложки с заданным шагом по осям Х и Y так, что образуются ряды и строки из нанопроводников. В камеру СТМ-литографа напускают смесь аргона с парами трихлорэтилена. К поверхности слоя подводят заземленную вольфрамовую иглу в режиме поддержания туннельного тока 0,1 нА при постоянном напряжении между образцом и зондом -3 В. Между иглой и поверхностью слоя в области нанопроводника подают импульсы отрицательного электрического напряжения амплитудой 10 В и длительностью 10 мс. В ходе литографии поддерживают ток 0,1 нА. В результате электрического воздействия происходит локальный синтез углеродной наночастицы шириной 5 нм и высотой 2 нм.
Ниже приведен конкретный пример реализации предлагаемой полезной модели.
Пример 1. Для достижения высокой плотности эмиссионных центров в полевом электронном эмиттере нанопроводники выполняют с шагом 10 нм, шириной 5 нм, расстояние между нанопроводниками 5 нм, количество нанопроводников 10×10.
2
-4
12
2
Наблюдение эмиссионной картины осуществляют в СТМ по площади 200×200 нм в режиме поддержания 20 нм зазора между иглой СТМ и эмитирующей поверхностью, в условиях вакуума 10 Торр, при постоянном напряжении между подложкой (катодом) и иглой (анодом). Эмиссионный ток 1 нА наблюдается из наночастиц при напряжении 10 В. Плотность эмиссионных центров в области наблюдения составляет 10 элементов/см.
Предлагаемый полевой электронный эмиттер может быть использован в системах электронного отображения, хранения и обработки информации, в том числе в системах электронных голографических образов и устройствах квантовой логики.