Автоэлектронная эмиссия

  На острийных микрокристаллах оказалось возможным исследовать явления в сильных электрических полях (10⁷-10⁸ В/см), значения которых недостижимы на макроскопических объектах.

Э. Мюллер обнаружил явление поверхностной  перестройки острия, обусловленной  миграцией поверхностных атомов при нагреве эмиттера в сильном  электрическом поле. То, что перестройка  связана с изменением формы кристалла (его огранкой), было показано в блестящих  работах Бенджамина Дженкинса и проф. И.Л. Сокольской.

  Оказалось, что явление перестройки играет исключительно важную роль в возникновении неустойчивости эмиссионного процесса вследствие формирования на эмитирующей поверхности острых "ребер" и маленьких нанометровых выступов. Это приводит к локальному усилению электрического поля и резкому увеличению эмиссионного тока

  Как мы указывали, разрешение полевого микроскопа составляет 20-30 Å, и сделать его лучше принципиально трудно. Тем не менее для очень маленьких выступов на поверхности разрешение может оказаться более высоким. В 1970 году японские ученые М. Сасаки и Т. Хиби для очень острых микровыступов на поверхности основного острия подложки получили почти атомарное разрешение (d = 4 Б). В работах нашей группы удалось наблюдать ребра с "остротой" всего в 2-3 атома .

  Полевой эмиссионный микроскоп позволяет изучать сверхмедленные перемещения на поверхности, детально исследовать поверхностную миграцию, двухмерное и трехмерное испарение, различные химические реакции, в том числе реакции в сильном электрическом поле.

  С помощью полевого эмиссионного микроскопа возможно количественное измерение важнейших характеристик поверхности кристаллов: определение работы выхода поверхности, измерение энергий активации миграции, десорбции и испарения атомов, определение размеров двух- и трехмерных образований на поверхности, определение энергии связи в двумерных кристаллах. Полевая эмиссионная микроскопия позволяет исследовать высокотемпературные фазовые превращения и ориентационные соотношения перехода одной кристаллической модификации материала в другую.

  Острийная форма микрокристалла позволяет реализовать уникальный метод получения атомарно-чистой поверхности, используя процесс десорбции и испарения атомов электрическим полем при непосредственном наблюдении за процессом в полевом эмиссионном микроскопе. Именно таким способом удалось получить атомарно-чистые поверхности полупроводниковых кристаллов Ge, Si, GaAs и др.

В 1995 году на симпозиуме по полевой эмиссии (Мэдисон, США) были представлены блестящие  эксперименты, позволившие с помощью  полевого эмиссионного микроскопа наблюдать  циклические реакции на поверхности  твердого тела. Одна из таких работ  была представлена В. Городецким (Институт катализа Сибирского отделения РАН) совместно с немецкими учеными из Института Фрица Хабера (Fritz-Haber-Institute), другая - молодым ученым из Швейцарии доктором С. Воссом (Woss). Работа С. Восса была удостоена медали им. Эрвина Мюллера, присуждаемой Обществом автоэлектронной эмиссии (Field Emission Society) молодым ученым.

Приведенный перечень далеко не исчерпывает возможности  полевой эмиссионной микроскопии. Эта методика в настоящее время  активно развивается и позволяет  надеяться на открытие новых эффектов и явлений.

2.2  ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

  Следствием квантово-механической природы процесса автоэмиссии является возможность получения громадных плотностей тока. В частности, это связано с тем, что туннельный механизм высвобождения электронов из твердого тела не требует энергетических затрат на эмиссионный акт и исключает, таким образом, необходимость внешнего воздействия на материал катода, то есть его нагрева, бомбардировки, интенсивного облучения и т.п.

Для металлов при концентрации электронов в зоне проводимости 10²²-10²³ см^{- 3} поток электронов, падающих на границу раздела металл-вакуум, способен в принципе обеспечить плотность тока более 10¹¹ А/см².

Максимальная  плотность тока эмиссии j_max , которая может быть обеспечена электронами зоны проводимости в условиях, когда потенциальный барьер на границе полностью снят электрическим полем, то есть когда прозрачность барьера D = 1, может быть представлена выражением

j_max =πemE²_F / h³ =4,3 10⁹ E²_{F  =}1,1× 10¹¹ A/см2,  (7)

где E_F- энергия Ферми в электронвольтах, отсчитанная от дна зоны проводимости. Для большинства металлов E_F = 5 эВ, что и использовано при численной оценке в (7).

  На самом деле практически достигаемые плотности тока оказываются меньшими, чем даваемые формулой (7). Это связано с тем, что, хотя никакого внешнего воздействия на катод для осуществления самого автоэмиссионного процесса, как было сказано выше, не оказывается, ток проводимости, протекающий через тело катода, вследствие интенсивного тепловыделения разрушает автоэлектронный эмиттер.

  Экспериментально были предприняты попытки обойти это ограничение, связанное с разогревом автоэмиттера. Идеи этих опытов состояли в следующем.

1. Поскольку нагрев - принципиально  инерционный процесс, то можно  увеличить предельную плотность  тока, уменьшая длительность его  отбора, то есть прикладывая импульсы поля очень короткой длительности. Максимальные плотности тока были достигнуты при использовании наносекундных импульсов (10^{- 9} с). При этом были получены плотности тока до 10⁹ А/см² [2].

2. Была предпринята попытка уменьшить  тепловыделение за счет глубокого  охлаждения автоэмиттера. Охлаждение до температуры 2-4,2 К позволило увеличить j_max в два-три раза.

3. Рекордные плотности тока 10¹¹ А/см² были достигнуты при опытах с остриями размерами 10-30 Å. Вследствие малости автоэлектронного эмиттера электроны проходят сквозь тело острия, практически не выделяя энергию, поскольку длина свободного пробега, то есть расстояние, на котором электрон может провзаимодействовать с атомами вещества, много больше размера эмиттера.

2.3 НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

  Благодаря своим замечательным свойствам автоэлектронная эмиссия всегда была лакомым кусочком для прикладников. Однако по-настоящему она нашла серьезное применение практически в последнее десятилетие. Автокатоды стали использовать в различных элементах вакуумной микроэлектроники: транзисторах, преобразователях частоты, усилителях, различного рода прецизионных датчиках давления, регулировки управления микрозазорами и др.

  Рассел Янг предложил и практически реализовал идею туннельного микроскопа. Несколько лет спустя Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) создали сканирующий туннельный микроскоп атомного разрешения. Это достижение было удостоено Нобелевской премии за 1986 год (вместе с Э. Руской (Ernst Ruska)).

Сейчас  исследования с помощью полевого ионного и сканирующего туннельного  микроскопа кардинально продвинули наши представления о структуре  поверхности, о явлениях адсорбции, эпитаксии, растворения, диффузионных явлениях на поверхности, катализе. В  сочетании с масс-спектрометрией ионная проекционная микроскопия позволила  решать задачи по созданию прецизионных сплавов в металлургии и др.

  Наиболее яркие достижения последних лет связаны с двумя главными применениями.

1. Создание на базе многоострийных автокатодов нового класса дисплеев. Многоострийный автокатод в таком дисплее представляет собой своего рода "ежа" с миллионами и десятками миллионов острий на квадратный сантиметр. Против такого многоострийного ковра на микронном расстоянии располагается сотовый анод таким образом, что каждое острие находится внутри соответствующей сотовой ячейки. Поскольку радиус острия очень маленький (20-30 Å), а расстояние катод-анод всего 1-2 мкм, напряжение, требуемое для получения тока автоэмиссии, оказывается весьма низким - всего десятки, максимум сотни вольт. Это обстоятельство позволило создать плоские дисплеи, по яркости, четкости и разрешению существенно превышающие используемые в данное время. Кроме того, такие дисплеи оказываются дешевле существующих.

2. Единичные автокатоды нашли применение в электронно-зондовых системах: просвечивающих и растровых электронных микроскопах атомного разрешения, в системах электронной литографии и оже-спектроскопии. Создание этого нового класса приборов сверхвысокого разрешения стало возможно благодаря тому, что острийный автокатод является почти идеальным точечным источником электронов с очень узким энергетическим спектром и большой яркостью.

Самым последним достижением является реализация идеи электронной голографии. В электронной голографии удается  получить объемное изображение атомных  объектов. Этот результат был получен  благодаря тому, что острийный автоэмиттер обладает одновременно большой яркостью и высокой пространственной и временной когерентностью.

3.ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ  ЭМИССИЯ

  Термоэлектронная эмиссия -испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или др. среду. Выйти из тела могут только те электроны, энергия которых больше энергии покоящегося вне эмиттера электрона. Число таких электронов (обычно это электроны с энергиями  1 эВ относительно ферми-уровня в эмиттере) в условиях термодинамического равновесия в соответствии с Ферми-Дирака распределением ничтожно мало при температурах  T 300 К и экспоненциально растёт с T. Поэтому ток T. э. заметен только для нагретых тел. Вылет электронов приводит к охлаждению эмиттера. При отсутствии "отсасывающего" электрического поля (или при малой его величине) вылетевшие электроны образуют вблизи поверхности эмиттера отрицательный пространственного заряд, ограничивающий ток T. э.

3.1 ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

При малых напряжениях V между эмиттером и анодом плотность тока моноэнергетического электронов описывается известной формулой (закон трёх вторых) j~ V ^3/2 (формула Ленгмюра) ; учёт разброса скоростей электронов, преодолевающих созданный пространств. зарядом потенциальный барьер, значительно усложняет формулу, но характер зависимости j(V)не изменяется; при увеличении V пространств. заряд рассасывается и ток достигает насыщения j₀, а при дальнейшем росте V ток слабо растёт в соответствии с Шоттки эффектом (рис.)

 В сильных (E > 10⁶ В/см) электрических полях к T. э. добавляется автоэлектронная эмиссия (термоавтоэлектронная эмиссия).

Выражение для плотности тока насыщения j₀ в силу принципа детального равновесия может быть получено путём расчёта потока электронов из вакуума в эмиттер. В условиях термодинамического равновесия этот поток должен совпадать с потоком электронов, вылетающих в вакуум. В предположении, что поверхность эмиттера однородна, внеш. поле мало, а коэффициент отражения электронов от поверхности эмиттера в вакууме r в области энергий ~ kT вблизи уровня вакуума слабо зависит от энергии и не слишком близок к единице, такой расчёт приводит к формуле (Ричардсона-Дешмана).

Здесь A=A₀(1- ) (черта над r означает усреднение по энергиям электронов), A₀ = 4pek²m_e/h= 120,4 А/см^2.К², F - работа выхода электрона. Предположение о слабой зависимости r от энергии нарушается лишь в исключительных (но всё же реальных) случаях, когда уровень вакуума попадает внутрь одной из запрещённых зон в электронном спектре твёрдого тела или соответствует к--л. др. особенностям в спектрах объёмных и поверхностных состояний. Работа выхода металлов слабо зависит от температуры (вследствие теплового расширения); обычно эта зависимость линейная: F = F₀ + aT, a~10^-4 -10^-5 эВ/град; причём коэффициента a может быть как положителен, так и отрицателен. По этой причине, однако, определяемые путём построения графика зависимостиj₀/T² от 1/T в полулогарифмических координатах (метод прямых Ричардсона) величины отличаются от F и А из формулы (*). Для большинства чистых металлов найденные т. о. значения А изменяются от 15 до 350 А/см^2.К².

3.2 ВЛИЯНИЕ ПРИМИСЕЙ И ДЕФЕКТОВ

Поверхностные примеси и дефекты  даже при малой их концентрации ( 10 монослоя) могут оказывать значит. влияние на термоэмиссионные свойства металлов и полупроводников и приводят к заметному разбросу значений работы выхода ( 0,1 эВ). К числу таких эмиссионно активных примесей относятся, напр., атомы щелочных и щёлочно-земельных элементов и их окислы. Возникающая при адсорбции атомов и молекул квантовохим. связь индуцирует перераспределение зарядов между адсорбируемыми атомами (адатомами) и собственными поверхностными атомами эмиттера. На больших расстояниях от адатома создаваемый этими зарядами потенциал может быть описан в терминах муль-типольного разложения, т. е. в виде суммы дипольного, квадрупольного и т.д. потенциалов. Изменение работы выхода (дипольный скачок потенциала) определяется ди-польными моментами DФ = 4peN_sd, где N_s - поверхностная концентрация адатомов, d-дипольный момент. При значениях d порядка неск. Д (1 Д=10^-18 ед. СГСЕ) уже малые кол-ва примесей (N₅ 10¹² -10¹³ см^-2), составляющие всего 0,1-0,01 монослойного покрытия, приводят к заметным изменениям работы выхода: DF~10^-2 - 10^-1 эВ. Эмиссионно активные примеси как раз и характеризуются высокими значениями d~1-10 Д; рекордные значения d~ 10 Д соответствуют адсорбции цезия. Изменение работы выхода описывает усреднённое вдоль поверхности изменение потенциала. Микроскопическая структура индуцируемого адатомами вблизи поверхности потенциала сложна. В частности, на некоторой части поверхности существует потенциальный барьер, затрудняющий вылет в вакуум электронов с энергиями, близкими к пороговым. Однако в большинстве случаев d~ 1 Д и при таких d барьеры туннельно проницаемы - "прозрачны". В этих случаях изменения связаны с квантовомеханическим рассеянием и интерференцией электронов. Примеси и дефекты могут стимулировать перестройку поверхности, что также влияет на эмиссионные свойства. Кроме адсорбции примесных атомов на поверхности, источниками её загрязнения могут служить процессы сегрегации и поверхностной диффузии, весьма эффективные при повышенных температуpax. Для устранения неконтролируемого влияния загрязняющих примесей и получения воспроизводимых результатов при изучении эмиссионных свойств поверхностей необходимо производить измерения в условиях сверхвысокого вакуума ~10^-9- 10^-10 мм рт. ст. (поток атомов из газовой среды на поверхность, создающий за 1 с монослойные покрытия, соответствует при комнатной темп-ре давлению ~ 10^-6 мм рт. ст.); при этом необходим контроль за составом и структурой поверхности с помощью современных методов спектроскопии поверхности. Наилучшие объекты для изучения механизмов эмиссии - отд. грани монокристаллов переходных металлов, допускающие высокую степень очистки и отличающиеся высоким совершенством структуры поверхности.