СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ И РАБОТЫ ВЫХОДА В НАНО ИЛИ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ЭМИТТЕРАХ

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании вакуумных приборов СВЧ микроэлектроники с холодной автоэмиссией эмиттера, в матричных вакуумных дисплеях и визуализаторах.

Известен оптический метод определения работы выхода из эмиттера основанный на измерении оптического спектра пропускания или отражения при облучении эмиттера оптическим излучением в ультрафиолетовой и видимой области спектра и измерении резкого (на несколько порядков) уменьшения коэффициента поглощения от длины волны, определение длины волны λ_гр, соответствующей границе пропускания («красной» границы фотоэффекта) и определения работы выхода А из соотношения А=h·c/λ_гр или А (эВ)=1240/λ_гр (нм); где: h -постоянная Планка, с - скорость света (Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука. 1977. С.368; Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. Л.: Химия. 1984. С.216). Однако данный способ позволяет определить работу выхода из металлов при условии, что геометрические размеры эмиттера больше чем зондирующий оптический пучок. В оптических спектрометрах зондирующий пучок имеет типичные размеры порядка см в поперечном сечении, поэтому использование такого метода для реальных микроэмиттеров представляет труднорешаемую экспериментальную задачу. Кроме того, метод не позволяет определить локальность поля, связанную с резким пространственным изменением рельефа поверхности эмиттера.

Известен способ определения работы выхода из эмиттера вакуумного фотодиода при его облучении оптическим излучением с перестраиваемой длиной волны и измерении значения фототока. В спектральной области, соответствующей резкому уменьшению фототока при увеличении длины волны определяется красная границе фотоэффекта, соответствующая границе возникновения нулевого фототока. Это значение длины волны соответствует условию, когда энергия фотона hν равна работе выхода А (Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. М.: Изд. МГУ. С.352). Длина волны электромагнитного излучения света λ связана с частотой соотношением λ=с/ν, поэтому соотношение для определения работы выхода А (эВ)=1240/λ_гр (нм). Так как значение работы выхода для известных металлов лежит в диапазоне от 2-х до 6 эВ (Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 456 с.), то для определения работы выхода, например, для вольфрама с значением А=5 эВ требуется излучение с длиной волны меньше или равной 248 нм, т.е. перестраиваемое излучение в дальней УФ-области. При облучении вакуумного фотокатода необходимо кварцевое окно, пропускающее такое УФ-излучение. Кроме того, если это вакуумный микродиод, то возникают технические сложности пространственного облучения таких эмиттеров. Метод также не позволяет определить значение усиления локального электростатического поля на эмиттере.

Известен способ определения работы выхода из эмиттера вакуумного диода при исследовании термоэлектронной эмиссии (Петрин А.Б. О термополевой эмиссии из металлических острий // Физика плазмы. 2010, т.36, №7, с.671-679). Способ заключается в измерении вольт-амперной характеристики при фиксированной температуре катода и установление значения плотности тока, соответствующего области насыщения ВАХ и вычисление А, используя известное соотношения Ричардсона-Дешмана. Однако данный метод подходит только для эмиттеров, обладающих термоэлектронной эмиссией. Кроме того, в формулу Ричардсона-Дешмана входит термоэлектронная постоянная, которая зависит от вероятности туннелирования определяемой шириной потенциального барьера.

Для расчета усиления локального электростатического поля на нано- или микроструктурных автоэмиссионных эмиттерах, обусловленного локальным пространственным градиентом поверхности необходимо измерение 3D микрорельефа поверхности эмиттера. Известен способ определения микрорельефа поверхности на основе атомно-силовой микроскопии (Method and atomic force microscope for imaging surfaces with atomic resolution. BR 605251, 1987-07-28, BINNING GERD KARL). Однако зондирующая упругая консоль (кантилевер) атомно-силового микроскопа (АСМ) не всегда может измерить трехмерную поверхность эмиттера. Такие же проблемы возникают для металлического острийного зонда туннельного микроскопа (В.Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород. 2004. 110 с.) при измерении сложного рельефа 3D поверхности проводящего микроэмиттера.

Известен способ определения микро- и нанорельефа поверхности эмиттера (А.Н.Образцов и др. Роль кривизны атомных слоев в полевой эмиссии электронов из графитоподобного наноструктурированного углерода. Письма ЖЭТФ, 1999, Т.69, В.5, С.381-386). При использовании различных проекций возможно определение сложной поверхности эмиттера с помощью электронного микроскопа (Гоулдстейн Дж. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир. С.304), но установление 3D микрорельефа поверхности эмиттера позволяет только оценить увеличение локального электростатического поля на основе расчетных моделей электростатики. Кроме того, эти способы не позволяют определить работу выхода в эмиттере.

Известен способ определения работы выхода эмиттера вакуумного диода с автоэлектронной эмиссией (Muller E.W. // J. Appl. Phys. 1955. V. 26. P. 732; Образцов А.Н., Волков А.П., Павловский И.Ю. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов // Письма ЖЭТФ. 1998. Т.68. В.1. С.56-60), заключающейся в измерении тока автоэмиссии J вакуумного диода при увеличении ускоряющего напряжения V на аноде, построение полученной вольт-амперной характеристики диода в координатах lg(I/F²) и 1/F, определение работы выхода А из наклона графика этой зависимости, где F=β∙V/Z напряженность электростатического поля с учетом влияния градиента поверхности, а Z - расстояние эмиттер-анод. Однако данный способ предполагает, что предварительно известно значение усиления локального электростатического поля β, так называемого форм-фактора, т.е. величины, соответствующей увеличению электростатической напряженности поля, вследствие пространственного градиента формы поверхности эмиттера.

Задачей изобретения является возможность определения локального электростатического поля, создаваемого пространственными микро- и нанонеоднородностями эмиттера с одновременным определением работы вывода электронов из эмиттера с пространственным разрешением в пределах 300-1000 нм, определяемой длиной волны зондирующего оптического пучка УФ или видимого диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в способе бесконтактного определения усиления локального электростатического поля и работы выхода в нано- или микроструктурных эмиттерах, согласно изобретению, измеряют темновую зависимость туннельного эмиссионного тока при увеличении напряжения на аноде и определяют значение напряжения V_∞, стремящееся к напряжению автоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного автоэмиссионного тока, облучают измеряемую поверхность эмиттера лазерным пучком ультрафиолетового или видимого диапазона с фиксированным значением оптической мощности и длины волны λ₁, измеряют значение туннельного фотоэмиссионного тока при увеличении напряжения на аноде и фиксируют значение напряжения V_{∞ λ1}, стремящееся к напряжению фотоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного фотоэмиссионного тока, определяют значение работы выхода А и значение усиления локального электростатического поля β в пространственной области облучения эмиттера из соотношения

β^1/2=2.77·10³ (hс/λ₁)·z^1/2/[(V_∞)^1/2- V_{∞ λ1})^1/2] (1)

А=hс /(λ₁ [1-(V_{∞ λ1}/V_∞)^1/2]) (2)

или дополнительно облучают измеряемую поверхность эмиттера лазерным пучком на другой длине волны λ₂ ультрафиолетового или видимого диапазона с максимальной разницей относительно первой длины волны, определяют значение напряжения V_∞λ2, стремящееся к напряжению фотоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного фотоэмиссионного тока и определяют значение усиления локального электростатического поля в пространственной области облучения эмиттера и значение работы выхода А из соотношения

β^1/2=2.77·10³ z^1/2 (hс /λ₁ - h с/λ₂)·/[(V_{∞ λ2})^1/2- V_{∞ λ1})^1/2] (3)

А=(h с /λ₁ - h с /λ₂)/[1-(V_{∞ λ1}/V_{∞ λ2})^1/2] (4)

где: β - форм-фактор-величина, соответствующая усилению локальной напряженности электростатического поля в нано- или микроструктурных эмиттерах, вследствие пространственного градиента формы поверхности эмиттера, облучаемого световым пучком;

z - расстояние между эмиттером и анодом в см;

А - работа выхода электронов из эмиттера в эВ;

V_∞ - напряжение в вольтах, стремящееся к напряжению автоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного автоэмиссионного тока;

V_∞λ1 - напряжение в вольтах, стремящееся к напряжению фотоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного фотоэмиссионного фототока при облучении эмиттера оптическим излучением с энергией фотона hc/λ₁;

hc/λ₁=hν₁ - энергия фотона в эВ, поглощаемая электроном эмиттера, вследствие однофотонного фотоэффекта;

V_∞λ2 - напряжение в вольтах, стремящееся к напряжению фотоэмиссионного пробоя, которое контролируется по экспоненциальному возрастанию на 3-5 порядков туннельного фотоэмиссионного тока при облучении эмиттера оптическим излучением с энергией фотона hν₂ соответственно с длиной волны λ₂=с/ν₂;

ν - частота излучения оптического диапазона;

с - скорость света;

h - постоянная Планка.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 представлена блок схема экспериментальной установки для реализации предлагаемого способа на основе измерения вольт-амперных характеристик вакуумного микродиода с углеродными эмиттерами с наноразмерной структурой в сильных электростатических полях при облучении поверхности эмиттера лазерным или светодиодным оптическим излучением УФ или видимого диапазона.

На Фиг.2 представлена расчетная зависимость изменения высоты потенциального барьера эмиттер-вакуум от значения напряженности поля при работе выхода электронов из эмиттера равной 5 эВ.

На Фиг.3 представлена экспериментальная зависимость туннельного фотоэмиссионного тока при лазерном облучении с длиной волны λ=473 нм (энергия фотона 2.62 эВ) углеродного наноразмерного эмиттера (B) и темнового автоэмиссионного тока (C) от изменения ускоряющего напряжения на аноде вакуумного микродиода при расстоянии эмиттер анод Z=1 микрон.

На Фиг.4 представлена зависимость туннельного фотоэмиссионного тока при лазерном облучении углеродного наноразмерного эмиттера на длине волны красного -He-Ne лазера с λ=633 нм (энергия фотона 1.96 эВ) (D) и темнового автоэмиссионного тока (G) при отсутствии оптического облучения эмиттера от изменения ускоряющего напряжения на аноде вакуумного микродиода при расстоянии эмиттер анод 1 микрон.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - блок питания лазеров или светодиодов;

2 - твердотельный микролазер, полупроводниковый лазер или светодиод со спектральным максимумом длины волны излучения от ближнего УФ до ИК

3 - фокусирующая оптическая система;

4 - вольтметр;

5 - стабилизированый перестраиваемый источник постоянного напряжения;

6 - вакуумный микродиод с углеродным пространственно-периодическим эмиттером наноразмерной структуры с микролезвиями, каждый из которых имеет острие кромки длиной 200 нм и толщиной 20 нм, при этом расстояние между плоскостями лезвия и анода от 1 до 3 мкм;

7 - ограничивающее сопротивление;

8 - измерительное сопротивление;

10 - микровольметр.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью стабилизированного источника питания 5 подается минимальное (близкое к нулевому значению) положительное напряжения на анод вакуумного микродиода 6, эмиттер которого через ограничивающее 7 и измерительное сопротивление 8 соединен с нулевым потенциалом. При увеличении положительного потенциала на блоке 5 фиксируют соответствующее напряжение с помощью 4 и измеряют с помощью микровольметра 10 порог возникновения автоэмиссионного тока, увеличивают напряжения на аноде микродиода и фиксируют то его экспоненциально возрастающее значение, при котором автоэмиссионный ток увеличивается минимум на три-пять порядков и стремится к пробойному значению. Включают источник питания лазера 1 и возбуждают когерентное лазерное или светодиодное оптическое излучение в лазере 2. С помощью оптической системы 3 облучают поверхность эмиттер микродиода лазерным пучком с длиной волны УФ или видимого диапазона при условии, что энергия соответствующих фотонов меньше предполагаемой работы выхода диагностируемого эмиттера. (Типичное значение для любого металла и сплава эмиттеров лежит в диапазоне 6-2 эВ.) Увеличивают положительный потенциала на блоке 5 с нулевого до значения, соответствующего возникновению туннельного фототока, и фиксируют с помощью микровольметра 9 порог возникновения фотоэмиссионного тока, увеличивают напряжения на аноде микродиода и фиксируют то его экспоненциально возрастающее значение, при котором фотоэмиссионный ток возрастает минимум на три-пять порядков и стремится к пробойному значению, и по рабочей формуле (3) и (4) определяют значение работы выхода А и значение напряженности локального поля в пространственной области облучения эмиттера.

Аналогично проводят измерения при облучении эмиттера лазерным излучением с другой длиной волны, при этом для повышения точности метода измерения выбирают длины волн зондирующего излучения с максимальной разницей из УФ и видимого и ближнего ИК-диапазона.

В основе способа определения работы выхода и локального электростатического поля в нано- или микроструктурных автоэмиссионных эмиттерах лежит обнаруженный авторами туннельный фотоэффект при энергиях фотонов, существенно меньших работы выхода электрона из эмиттера, который может наблюдаться случае формирования сильного электростатического поля в межэлектродном промежутке «эмиттер-анод». Физический механизм обнаруженного авторами туннельного фотоэффекта в сильных электростатических полях заключается в возможности управления вероятностью туннелирования неравновесных фотоэлектронов, возникающих вследствие поглощения фотонов с энергией hν через потенциальный барьер «металл-вакуум» при уменьшении его высоты и ширины с помощью сильного электростатического поля при учете эффекта Шоттки (Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984. С.456). Использование предложенной модели для оценки влияния сильных электростатических полей напряженностью 10⁷-10⁸ В/cм показало, что высотой и шириной потенциального барьера можно эффективно управлять, уменьшая их в несколько раз с повышением напряженности поля вплоть до режима возникновения автоэмиссионого электронного пробоя. Использование модифицированной модели автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма, учитывающей изменению уровня Ферми для неравновесных фотоэлектронов (Fowler R.H., Nordheim L. Electron Emission in Intense Electric Fields // Proc. Roy. Soc. Lond. 1928. A119. P. 173-181), можно получить соотношение, определяющее энергетическое расстояние от уровня Ферми до вершины потенциального барьера при энергии фотонов hν

Δφ=А- hν- (е³βU/Z)^1/2, (5)

где е - заряд электрона; β - форм-фактор локального усиления напряженности поля; U - разность потенциалов внешнего поля на зазоре Z эмиттер-анод.

Выражение (5) позволяет определить и экспериментально проверить те значения напряженности полей E=U/Z и форм-фактора β, соответствующих вероятности туннелирования неравновесных фотоэлектронов или равновесных автоэмиссионных электронов, стремящиеся к 1, что соответствует условию автоэмиссионного пробоя, а в случае оптического облучения эмиттера с энергией фотона hν фотоэмиссионного пробоя. Соответствующие расчеты изменения высоты потенциального барьера при работе выхода электронов из эмиттера, равной 5 эВ, от значения напряженности поля проведены и представлены на Фиг.2.

Возможно определение работы выхода электронов из эмиттера и форм-фактор усиления локальной напряженности электростатического поля при облучении эмиттера на одной длине волны, но в этом случае необходимо измерение темновых автоэмиссионных вольт-амперных характеристик, тогда можно получить соотношения для определения работы выхода электронов из эмиттера и форм-фактор локального усиления напряженности поля из соотношений (1) и (2). Если измерять напряженность поля в В/см, расстояние эмиттер-анод в см, а работу выхода электронов А в (эВ), то, используя соотношение (5), можно получить численные соотношения, которые позволяют определить работу выхода и форм-фактор усиления локального напряженности электростатического поля при условии, что вероятность туннелирования стремится к 1.

Тогда для автоэмиссионного тока должно выполняться соотношение

А=3.6 10^-4 (β V_∞ /z)^1/2……………………..(6)

При облучении эмиттера лазерным или светодиодным излучением с энергией фотона hν получаем соотношение

А-hν₁=3.6 10^-4 (β V_{∞ λ1}/z)^1/2………………….(7),

где: V_∞ - напряжение в вольтах, соответствующее напряжению пробоя автоэмиссионного тока, когда вероятность туннелирования стремится к 1.

V_{∞ λ1} - напряжение в вольтах, соответствующее напряжению пробоя туннельного фотоэмиссионного тока, когда вероятность туннелирования стремится к 1, возникающая при облучении эмиттера оптическим излучением с энергией фотона hν₁=hc/λ₁.

Используя соотношение (7) для двух длин волн УФ и видимого диапазона можно получить рабочие формулы для определения работы выхода электронов из эмиттера и форм-фактор локального усиления напряженности поля, т.е. соотношения (3) и (4).

Результаты апробации данного способа были экспериментально протестированы на основе измерения вольт-амперных характеристик при облучении углеродного наноразменого эмиттера лазерным излучением с красной -633 нм и синей λ=473 нм длиной волны излучения и темновой автоэмиссионной характеристики представлены на Фиг.3 и 4.

Используя экспериментальные результаты, представленные на Фиг.3, в соответствии с рабочей формулой (4), были найдены граничные напряжения соответствующие резкому возрастанию туннельного фотоэмиссионного тока при облучении одного и того же пространственного места в эмиттере микродиода, что позволило определить значение форм-фактора β, т.е. усиления напряженности локального электростатического поля равного 89, при этом значение работы выхода электронов из углеродного эмиттера определенное из формулы (3), равно 4.97 эВ. Значение работы выхода электронов из углерода, представленное в общепризнанной научным сообществом монографии Зи (Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 456 с.), А=5 эВ. Точность определения β и А предлагаемым способом будет максимальной при определении напряжения, соответствующего условию пробоя для автоэмиссионного тока и фотоэмиссионного тока при оптическом облучении. При экспериментальной реализации способа измеряется значение напряжения соответствующего возрастанию тока эмиссии микродиода на три порядка по сравнению с пороговым значением. Оценки погрешности определения работы выхода и возрастания локального поля на эмиттере вследствие микро- и нанорельефа его поверхности в соответствии с рабочей формулой (1-4), используя соотношение (1) и экспоненциальную зависимость туннельного тока от напряженности поля, эмиттер анод показали, что она не превышает 5% вследствие очень высокой крутизны вольт-амперной характеристики туннельной эмиссии близи условия пробоя, определяемого соотношением (1). Предлагаемый метод позволяет измерять значение локального электростатического поля на микроэмиттере с пространственным разрешением, определяемым размером оптического пучка на эмиттере. Минимальный размер лазерного сфокусированного пучка определяется дифракционным пределом, равным 1.22 λ/NA, где NA≤1, поэтому для УФ и видимого излучения такой размер ограничен длиной волны зондирующего излучения, т.е. значением 300-1000 нм.