CC BY
55
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
УДК 537.533.2
Углеродный пленочный нанокомпозит для сильноточных полевых источников электронов
Р. К. Яфаров, В. Я. Шаныгин, Д. В. Нефедов
Яфаров Равиль Кяшшафович, доктор технических наук, заведующий лабораторией субмикронной электронно-ионной технологии, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, pirpc@yandex.ru
Шаныгин Виталий Яковлевич, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории субмикронной электронно-ионной технологии, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, vitairerun@mail.ru
Нефедов Денис Владимирович, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории субмикронной электронно-ионной технологии, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, nefedov_dv@rambler.ru
Сформулированы требования и проблемы при создании катодных материалов для сильноточной эмиссионной электроники. Показано, что для создания автокатодов с плотностью тока до 100 А/см2 и выше необходима разработка новых наноструктурных углеродных материалов с поверхностной плотностью наноалмазных острий не менее чем 106-108 см-2. С использованием неравновесной микроволновой плазмы низкого давления определены области режимов для получения углеродных пленочных покрытий, содержащих алмазную и графитовую фазы в различных объемных соотношениях. Обнаружен эффект самоорганизации алмазных нанокристаллитов в графитовых и по-лимероподобных углеродных пленках при осаждении в микроволновой плазме паров этанола низкого давления. Установлено экспериментально и затем обосновано с использованием кластерной модели структуры аморфного углерода влияние водорода на автоэмиссионные характеристики полученных алмазографитовых пленочных структур. Получены ленточные источники холодных электронов с плотностью автоэмиссионного тока в импульсе более 100 А/см2.
Ключевые слова: микроволновая плазма, алмазные кристаллиты, самоорганизация, полевая эмиссия электронов.
0С1: https://d0i.0rg/10.18500/1817-3020-2019-19-1 -68-75 Введение
Анализ научно-технической литературы по созданию автоэмиссионных источников электронов свидетельствует о том, что проблема получения сильноточного туннелирования электронов с поверхности эмиттерных материалов в электровакуумных приборах (ЭВП) неразрывно связана с фундаментальными материаловедческими проблемами, которые обусловлены поиском условий, способствующих повышению прочности материалов при эксплуатации в сильных электрических полях и температурных градиентах [1-31. Работа
автоэлектронного катода (АЭК) в ЭВП сопровождается ионной бомбардировкой его поверхности, адсорбцией и десорбцией ионов и молекул остаточных газов, поверхностной миграцией атомов и т.п. Стабильность работы автоэлектронных катодов чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и к состоянию его поверхности. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации АЭК перечисленные процессы, порознь или в некоторой совокупности, приводят к ряду эффектов, изменяющих режим его работы. К этим эффектам относятся: катодное распыление материала эмиттера, изменение количества и расположение микровыступов, изменение работы выхода электронов, разогрев катода и механические напряжения.
Таким образом, анализ работ по автоэлектронной эмиссии показывает, что материалы АЭК должны обладать определенной совокупностью свойств: низкими и стабильными значениями работы выхода электронов, малым коэффициентом катодного распыления, высоким значением механической прочности, высокой электро- и теплопроводностью. Кроме того, материалы должны быть технологичными и доступными.
Так как автоэлектронная эмиссия осуществляется с эмиссионных выступов, где реализуется наибольшая напряженность электрического поля, то очевидным для повышения деградационной стойкости автокатодов является необходимость снижения токовой нагрузки на каждый из них. Максимальное значение такой нагрузки зависит от свойств используемого многоострийного эмит-терного материала [4, 5].
Идеальными электрофизическими свойствами для применения в качестве долговечных высокостабильных автоэмиссионных катодов обладает нанокристаллический алмаз, у которого кроме традиционных свойств алмаза, присущих массивному кристаллическому состоянию, присутствуют квантовые эффекты, характерные для низкоразмерных систем [6]. Достоинства его заключаются в сочетании рекордно высоких дрейфовой скорости носителей тока и электрической прочности кристаллов с высокой теплопроводностью (2000 Вт/м-К, что в 5 раз превышает теплопроводность меди) [7]. Практически это выражается в том, что для автоэмиссии можно использовать сильные электрические поля без опасения, что материал катода разрушится под влиянием импульса тока или джоулева тепла. Перспективны также его уникальные электронно-эмиссионные свойства, связанные с отрица-
тельным электронным сродством, которое присуще широкозонным полупроводникам [8-10].
Благодаря этим свойствам сотрудниками Аргонской национальной лаборатории (США) показано, что нанокристаллические алмазные покрытия наноострий и пленки, полученные с использованием неравновесной микроволновой плазмы, способны обеспечивать чрезвычайно высокую плотность тока (до 60-100 мкА на острие!) и стабильность.
В работе [11] с использованием традиционных микроэлектронных технологий разработана технология изготовления многоострийных автоэмиттеров с алмазным покрытием. Эмиттеры представляют собой кремниевые острия диаметром от 1 до 10 мкм, с длиной (высотой) не менее 10 мкм, с радиусом закругления при вершине менее 10 нм, углом при вершине менее 30°, выполненные из нитевидных кристаллов кремния, эпитаксиально выращенных на монокристаллической кремниевой подложке.
Большая высота и малый радиус закругления вершины автоэлектронных эмиттеров обеспечивают большой коэффициент усиления поля. Вместе с тем алмазные частицы на вершине или алмазоподобные пленочные покрытия, обладающие пониженной эффективной работой выхода, в сочетании с указанными характеристиками эмиттеров обеспечивают низкие рабочие напряжения, снижают требования к рабочему вакууму из-за низкого коэффициента катодного распыления, способствуют повышению деградационной стойкости катода [12].
Однако простые расчеты показывают, что полученные острия имеют поверхностную плотность в интервале от 103 до 104 см-2. При этом для получения плотности тока до 100 А/см2 и выше токовая нагрузка на каждый эмиссионный центр должна составить 104-105 мкА. Согласно имеющимся современным мировым достижениям и теоретическим оценкам такие автоэмиссионные матрицы в принципе не могут обеспечить получение заданных плотностей автоэмиссионных токов.
Таким образом, для получения высокостабильных и деградационно стойких эмиттеров с плотностью автоэмиссионного тока до 100 А/см2 и выше необходимо иметь многоострийные катодные материалы с поверхностной плотностью острий не менее чем 106-108 см-2. При этом токовая нагрузка на каждое острие может составить от 1 до 100 мкА, что согласно известным литературным данным является достижимым при использовании острийных алмазных эмиттеров.
При поверхностной плотности острий 106-108 см-2 период их расположения должен быть меньше 10 и лучше - меньше 1 мкм. С точки зрения использования современных литографических микроэлектронных технологий создание таких многоострийных матриц представляется вполне реализуемой задачей. Однако это приведет к неоправданному удорожанию их стоимости.
Решение этой проблемы, как и в случае разработки промышленных технологий получения квантовых точек [13], может быть достигнуто разработкой новых технологий создания алмазных многострийных катодных материалов с использованием явлений самоорганизации. При этом должны быть решены вопросы транспорта электронов к эмитирующим центрам, так как сам по себе алмаз является инертным материалом и хорошим диэлектриком.
Вместе с тем современные фундаментальные исследования углеродных материалов ставят под сомнение саму возможность получения на-нокристаллитов алмаза с использованием микроэлектронных вакуумных технологий. Так, в литературе широко обсуждается изменение фазового состояния углерода в связи с уменьшением размера частиц - может ли быть устойчивым углерод в виде алмаза вместо графита? Основная трудность заключается в большой поверхностной энергии алмаза, которая, с одной стороны, является причиной низкой устойчивости частиц размером менее 10 нм и вынуждает систему на-нокристаллитов снижать общую энергию путем, например, коагуляции, с другой, дает энергетическую возможность для перехода графит-алмаз, так как приведенная на моль объемных атомов величина поверхностной энергии составляет несколько сотен кДж/моль. Такая энергия способна повлиять на фазовое состояние углерода.
В работе [14] проанализирована поверхностная энергия алмаза, известная в литературе по первопринципным расчетам, а также из экспериментов по скалыванию и смачиванию. С использованием термохимических и термодинамических методов рассмотрена энергетика нанокристаллов алмаза различного габитуса с гидрированной и окисленной поверхностью. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что их поверхностная энергия может становиться отрицательной. С другой стороны, эксперименты по смачиванию в различных атмосферах не указывают на какие-либо существенные изменения поверхностной энергии алмаза в сравнении с графитом в инертной атмосфере и атмосфере водорода.
Таким образом, согласно современным представлениям для получения нанострукту-рированных алмазных катодных материалов с поверхностной плотностью алмазных нано-кристаллитов не менее чем 106 -108 см-2 предстоит определить фундаментальные факторы, которые позволят осуществить поиск условий низкотемпературного синтеза и кинетических преимуществ в получении углеродных материалов различных аллотропных модификаций, содержащих атомы углерода в ,ър2 и sp3 валентном состоянии гибридизации, и определить их роль и механизм при формировании нанокомпозици-онных алмазграфитовых структур.
Следует отметить также, что, согласно литературным данным, флуктуация тока с одного автоэмиссионного острия составляет около 50%. По законам статистики большое количество острий уменьшает флуктуации общего тока, которая для таких концентраций эмиссионных центров не превысит 1%.
Экспериментальной целью работы было исследование возможностей получения с использованием микроволновой плазмы композиционных пленочных структур на основе графита с включениями алмазных нанокристаллитов с поверхностной плотностью не менее 106-108 см-2.
Материалы и методы
Плазмохимическое осаждение углеродных структур проводилось в вакуумной установке с использованием СВЧ ионно-плазменного источника на частоте 2.45 ГГц [15, 16]. Мощность СВЧ-излучения и индукция магнитного поля составляли 250 Вт и 875 Гс. Величина магнитного поля обеспечивала выполнение условий электронного циклотронного резонанса, при котором степень ионизации плазмы составляла около 5%. Осаждение осуществлялось на кварцевые и поликоровые подложки с использованием в качестве рабочего вещества паров этанола при давлении от 0.05 до 1.0 Па. Подложки в экспериментах нагревались до температуры 300±10оС. Исследования углеродных структур осуществлялись с использованием методов атомно-силовой и электронной микроскопии, а также рентгено-структурного анализа и комбинационного рассеяния света (КРС).
В результате проведенных исследований определены области режимов, обеспечивающих как раздельное получение углеродных пленочных структур заданной аллотропной модификации (алмазные и графитовые), так и
нанокристаллических структур, содержащих алмазную и графитовую фазы в различных объемных соотношениях. Установлено, что при температурах подложек выше 200оС в области давлений паров этанола между конденсацией в
СВЧ плазме алмазных и графитовых пленочных структур наблюдалось осаждение нанокомпози-ционных углеродных покрытий, представляющих собой графитовую матрицу с включениями алмазоподобных нанокристаллитов (рис. 1 и 2).
Рис. 1. АСМ-изображение наноалмазной углеводородной матрицы (а) (масштаб: X, Y: 1 мкм, Z:0.1 мкм) и наноалмаз-
ного кристаллита в ней (б) (масштаб: X, Y: 0.1 мкм, Z:0.01 мкм) Fig. 1. AFM-image of a nano-diamond hydrocarbon matrix (a) (scale: X, Y: 1 ¡m, Z: 0.1 ¡im.) and a nano-diamond crystallite
in it (b) (scale: X, Y: 0.1 ^m, Z: 0.01 ^m)
.Л A r
» t л Л*
^ r ■ " / * ^
I ' " ^ r* r ^
_ * r r . - * л
04 ... ^ р. Г*
*
... * с - Ч *
Э Г " - г-
г г **
- - ■ у* ,
* Я
' * * Г
** * Т Г
Г Г-
s- ' ml rte, Oak '■
11Л 0/3011 "HV mag WD till 9:03:32 AM 1500 kV 50000* 15.2 mm 52
* m>
Рис. 2. СЭМ-изображение нанокомпозитной алмазогра-
фитовой пленки Fig. 2. SEM-image of the nanocomposite diamond-graphite film
Их размер и концентрация зависят от режима осаждения. Рентгеноструктурные исследования показали присутствие в полученных углеродных покрытиях включений мелкокристаллической фазы графита (002), алмазоподобной фазы кубической ориентации (111) и гексагональных решеток трех различных структурных модификаций (лонсдейлит, С(20Н) и др.). Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа фирмы «JEOL» (Япония) образцов, полученных в режимах СВЧ плазмы с
положительным смещением, показали наличие интенсивной катодолюминесценции в видимом спектральном диапазоне. Как известно, это свидетельствует о том, что кроме атомов углерода в состоянии sp2 гибридизации, как в графите и графене, в структуре находятся также атомы углерода в состоянии spъ гибридизации, как в алмазе или метане. Эти результаты подтверждены данными КРС.
Результаты и их обсуждение
Обнаруженный эффект самоорганизации алмазных нанокристаллитов в графитовых и полимероподобных углеводородных матрицах обусловлен следующим. Микроволновая плазма в диапазоне давлений паров этанола от 0.01 до 0.5 Па за счет изменения частоты столкновений и вводимой мощности позволяет генерировать широкий энергетический спектр свободных электронов. В результате их неупругих столкновений с молекулами плазмообразующего газа формируются ионы и атомы углерода различных степеней возбуждения, которые в результате термоударов на холодной подложке и локальных пересыщений образуют зародыши новой фазы той или иной аллотропной модификации. При этом вероятность зарождения наноалмазов возрастает, поскольку преобладающими при их образовании являются не термодинамические факторы, а процессы физической кинетики [17].
Установлено экспериментально и затем обосновано с использованием кластерной модели
структуры аморфного углерода влияние режима осаждения алмазографитовых пленочных структур в плазме паров этанола на их автоэмиссионные характеристики.
При нулевом и/или отрицательном смещениях на подложкодержателе в процессах плазмохимического синтеза в полученных углеродных структурах увеличивается содержание связанного водорода в виде моногидридных и дигидридных связей. Активное поступление водорода в процессе роста препятствует термодинамически равновесной конденсации графитовой фазы и усиливает влияние кинетических факторов, которые способствуют образованию фаз со смешанными spi- и 5р2-связями. В спектрах комбинационного рассеяния света (КРС спектрах) этих пленок (кривая 2 на рис. 3) наблюдается достаточно широкая полоса в области 1330 см-1, что свидетельствует о большом разбросе по размерам образующихся п-связанных кластеров, которые характерны для графитовых структур, а также небольшие гауссоподобные выступы в области 1120 и 1180 см-1, которые соответствуют наноалмазной модификации углерода. При положительных смещениях поступление ионизированного водорода в пленку уменьшается и процесс ее роста протекает в более термодинамических равновесных условиях. В спектрах КРС этот факт выражается в том, что полоса в области 1330 см-1 становится более
с
з
п
Л. £
и> £ с
SOO 1000 1200 1400 1600
Raman Shift (ст'Ч}
1800
Рис. 3. Спектры КРС для углеродных пленок, полученных при различных смещениях в СВЧ плазме паров этанола:
1 - U = +200В, 2 - U = -300В Fig. 3. Raman spectra for carbon films obtained at different biases in the microwave plasma of ethanol vapor: 1 - U = + 200 V, 2 - U = -300V
узкой и сильной по сравнению с пиком в области 1580 см-1 (кривая 1 на рис. 3). Трансформация полосы в области 1330 см-1 по сравнению с той же полосой в КРС спектре углеродных пленок, полученных при отрицательных смещениях, происходит за счет отсутствия полосы 1250 см-1, которая обусловлена колебаниями С—С связей в узлах разветвления структуры. Такая трансформация КРС пиков свидетельствует о более однородных и больших по размерам п-связан-ных графитовых кластеров, а также об уменьшении разветвленности структуры и лучшей локализации их системы сопряжения (рис. 4).
a /a
б/b
Рис. 4. СЭМ-изображения нанокомпозитных алмазогра-фитовых пленочных структур с поверхностной плотностью наноалмазных включений 106-108 см-2, полученных
при различных увеличениях: а - х1000, б - *20000 Fig. 4. SEM-images of nanocomposite diamond-graphite film structures with a surface density of nano-diamond inclusions of 106-108 cm-2, obtained at various magnifications: a - x1000, b - x20000
2
Это способствует уменьшению энергии активации проводимости в полученной композитной структуре и улучшению условий доставки электронов к наноалмазным кристаллитам, которые, как говорилось выше, обладают по сравнению с графитовыми наноструктурами пониженной эффективной работой выхода и более высокой деградационной стойкостью. В результате этого за счет повышения прозрачности потенциальных барьеров, как в объеме, так и на поверхности углеродной структуры, уменьшается порог электрического поля, после приложения которого пленки начинают эмитировать электроны. Полученное таким образом уменьшение рабочих напряжений автоэмиссии позволило увеличить запас электрической прочности синтезированных пленочных алмазографитовых структур и получить ленточные источники холодных электронов с плотностью автоэмиссионного тока в импульсе более 100 А/см2 [18].
Заключение
Разработанная технология плазмохимиче-ского осаждения наноалмазографитовых плёночных структур позволяет формировать эмиттеры холодных электронов при температурах от 250 до 350°С. Это дает возможность совместить ее с другими технологиями микроэлектронного производства. Основными областями применения композиционных наноалмазографитовых материалов являются создание на их основе элементной базы радиационно-стойкой вакуумной микроэлектроники, энергоэффективных источников белого света, плоских катодолюми-нисцентных экранов и дисплеев.
Список литературы
1. Mittal G., Lahiri I. Recent progress in nanostructured next-generation field emission devices // J. Phys. D : Appl. Phys. 2014. Vol. 47. P. 323001. DOI: 10.1088/00223727/47/32/323001
2. Kumar S., Duesberg G. S., Pratap R., Raghavan S. Graphene field emission devices // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105. P. 103107. DOI: 10.1063/1.4895022
3. Filip V., Filip L. D., Hei Wong. Review on peculiar issues of field emission in vacuum nanoelectronic devices // Solid-State Electronics. 2017. Vol. 138. P. 3-15. DOI: 10.1016/j.sse.2017.09.010
4. Cichy B., Gorecka-Drzazga A. Electron field emission from microtip arrays // Vacuum. 2008. Vol. 82, iss. 10. P. 1062-1068. DOI: 10.1016/j.vacuum.2008.01.040
5. Castro C. P., Assis T. A. Degradation of a large area field emitter : Correspondence between linearity and saturation in Fowler-Nordheim plots and unorthodox field electron emission // Vacuum. 2018. Vol. 152. P. 50-56. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.03.001
6. Yinhang Zhang Kyong, Yop Rhee, David Hui, Soo-Jin Park. A critical review of nanodiamond based nano-composites : Synthesis, properties and applications // Composites Part B : Engineering. 2018. Vol. 143. P. 19-27. DOI: 10.1016/j.compositesb.01.028
7. Алмазы в электронной технике : сб. ст. / отв. ред. В. Б. Квасков. М. : Энергоатомиздат, 1990. 248 с.
8. Елинсон М. И., Васильев Г. Ф. Ненакаливаемые катоды. М. : Наука, 1974. 278 с.
9. Белл Р. Эмиттеры с отрицательным электронным сродством. М. : Госэнергоиздат, 1973. 190 c.
10. DimitrovD. A., SmitheD., Cary J. R., Ben-ZviI., Rao T., Smedley J., Wang E. Modeling electron emission and surface effects from diamond cathodes // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. P. 055708. DOI: 10.1063/1.4907393 '
11. Патент № 2074444 РФ. Матричный автоэлектронный катод и электронный прибор для оптического отображения информации / Гиваргизов Е. И., Жирнов В. В., Степанова А. Н., Обеленская Л. Н. МПК H01J 31/12. 1997. Бюл. № 2.
12. Terranova M. L., Orlanducci S., Rossi M., Tamburri E. Nanodiamonds for field emission: state of the art // Na-noscale. 2015. Vol. 7. P. 5094. DOI: 10.1039/c4nr07171a
13. Леденцов Н. Н., Устинов В. М., Щукин В. А., Копь-ев П. С., Алферов Ж. И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками : получение, свойства, лазеры. Обзор // ФТП. 1998. Т. 32, № 4. С. 385 - 410.
14. Спицын Б. В., Жевненко С. Н. Термохимия и термодинамика нанокристаллов алмаза // Углерод : фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии : сб. тез. докл. 10-й Междунар. конф. Троицк : Тровант, 2016. С. 429.
15. Яфаров Р. К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных на-нотехнологий. М. : Физматлит, 2009. 216 с.
16. Яфаров Р. К. Неравновесная СВЧ плазма низкого давления в научных исследованиях и разработках микро- и наноэлектроники // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2015. Т. 15, вып. 2. С. 16-31.
17. Saravanan A., Huang B. R., Sankaran K. J., Keiser G., Kurian J., Tai N. H., Lin I. N. Structural modification of nanocrystalline diamond films via positive/negative bias enhanced nucleation and growth processes for improving their electron field emission properties // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. P. 215307. DOI: 10.1063/1.4921875*
18. Яфаров Р. К., Нефедов Д. В., Шаныгин В. Я. Исследование планарно-торцевой автоэмиссии нанокомпо-зитных углеродных покрытий с ультрадисперсными алмазами // Актуальные проблемы электронного приборостроения : материалы междунар. науч.-техн. конф. : в 2 т. Саратов : Амирит, 2018. Т. 1. С. 147-154.
Образец для цитирования:
Яфаров Р. К., Шаныгин В. Я., Нефедов Д. В. Углеродный пленочный нанокомпозит для сильноточных полевых источников электронов // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып. 1. С. 68-75. Б01: Ы;1р8:// doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-68-75
Carbon Film Nanocomposite for High-Current Field Electron Sources
R. K. Yafarov, V. Ya. Shanygin, D. V. Nefedov
Ravil K. Yafarov, https://orcid.org/0000-0001-6678-511X, Saratov Branch of Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, 38 Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia, pirpc@yandex.ru
Vitaliy Ya. Shanygin, https://orcid.org/0000-0001-8445-6491, Saratov Branch of Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, 38 Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia, vitairerun@mail.ru
Denis V. Nefedov, https://orcid.org/0000-0002-8695-5777, Saratov Branch of Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of the Russian Academy of Sciences, 38 Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia, nefedov_dv@rambler.ru
Background and Objectives: Requirements and problems are formulated when creating cathode materials for high-current emission electronics. It has been shown that to create autocathodes with a current density of up to 100 A/cm2 and above, the development of new nanostructured carbon materials with a surface density of nanodiamond edges of not less than 106-108 cm-2 is necessary. Using a non-equilibrium low-pressure microwave plasma, the regions of regimes for obtaining carbon film coatings containing the diamond and graphite phases in various volume ratios are determined. Materials and Methods: Plasma-chemical deposition of carbon structures was carried out in a vacuum unit using a microwave ion-plasma source at a frequency of 2.45 GHz. Deposition was carried out on quartz and polycore substrates using ethanol vapor as a working substance at a pressure of from 0.05 Pa to 1.0 Pa. The substrates in the experiments were heated to a temperature of 300 ± 10° C. Studies of carbon structures were carried out using atomic-force and electron microscopy, as well as X-ray analysis and Raman scattering. Results: It was established experimentally and then substantiated using a cluster model of the structure of amorphous carbon, the influence of the mode of deposition of diamond-graphite film structures in the plasma of ethanol vapor on their field emission characteristics. The formation of more uniform and larger n-bonded graphite clusters helps to reduce the activation energy of conductivity in the composite structure and to improve the conditions of electron delivery to nanodiamond crystallites, which have a lower effective work function and higher degradation resistance. Conclusion: The developed technology of plasma-chemical deposition of nano-diamond graphite film structures allows the formation of emitters of cold electrons at temperatures from 250 to 350° C. This makes it possible to combine it with other microelectronic production technologies. Keywords: microwave plasma, diamond crystallites, self-organization, field emission of electrons.
References
1. Mittal G., Lahiri I. Recent progress in nanostructured next-generation field emission devices. J. Phys. D: Appl. Phys., 2014, vol. 47, pp. 323001. DOI: 10.1088/00223727/47/32/323001
2. Kumar S., Duesberg G. S., Pratap R., Raghavan S. Gra-phene field emission devices. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 105, pp. 103107. DOI: 10.1063/1.4895022
3. Filip V., Filip L. D., Hei Wong. Review on peculiar issues of field emission in vacuum nanoelectronic devices. Solid-State Electron., 2017, vol. 138, pp. 3-15. DOI: 10.1016/j.sse.2017.09.010
4. Cichy B., Gorecka-Drzazga A. Electron field emission from microtip arrays. Vacuum, 2008, vol. 82, iss. 10, pp. 1062-1068. DOI: 10.1016/j.vacuum.2008.01.040
5. Castro C. P., Assis T. A. Degradation of a large area field emitter: Correspondence between linearity and saturation in Fowler-Nordheim plots and unorthodox field electron emission. Vacuum, 2018, vol. 152, pp. 50-56. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.03.001
6. Yinhang Zhang Kyong, Yop Rhee, David Hui, Soo-Jin Park. A critical review of nanodiamond based nanocom-posites: Synthesis, properties and applications. Composites Part B, 2018, vol. 143, pp. 19-27. DOI: 10.1016/j. compositesb.01.028
7. Almazy v elektronnojtekhnike [Diamonds in electronics]: sb. st. Otv. red. V. B. Kvaskov. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. 248 p. (in Russian).
8. Elinson M. I., Vasil'ev G.F. Nenakalivaemye katody [Non-hot cathodes]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 278 p. (in Russian).
9. Bell R. Emittery s otricatel'nym elektronnym srodstvom [Emitters with negative electron affinity]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1973. 190 p. (in Russian).
10. Dimitrov D. A., Smithe D., Cary J. R., Ben-Zvi I., Rao T., Smedley J., Wang E. Modeling electron emission and surface effects from diamond cathodes. J. Appl. Phys., 2015, vol. 117, pp. 055708. DOI: 10.1063/1.4907393
11. Givargizov E. I., Zhirnov V. V., Stepanova A. N., Obe-lenskaya L. N. Matrichnyy avtoelektronnyy katod i elektronnyy pribor dlya opticheskogo otobrazheniya informatsii [Matrix autoelectronic cathode and electronic device for optical information display]. Patent RF no. 2074444, MPK H01J 31/12, 1997 (in Russian).
12. Terranova M. L., Orlanducci S., Rossi M., Tamburri E. Nanodiamonds for field emission: state of the art. Nanoscale, 2015, vol. 7, pp. 5094. DOI: 10.1039/ c4nr07171a
13. Ledentsov N. N., Ustinov V. M., Shchukin V. A., Kop'ev P. S., Alferov Zh. I., Bimberg D. Quantum dot heterostructures: Fabrication, properties, lasers (Review). Semiconductors, 1998, vol. 32, iss. 4, pp. 385-410.
14. Spitsyn B. V., Zhevnenko S. N. Termokhimiya i termo-dinamika nanokristallov almaza [Thermochemistry and thermodynamics of diamond nanocrystals]. Uglerod: fundamental'nyye problemy nauki, materialovedeniye, tekhnologii: sb. tezisov dokladov 10-y mezhdunar. konf. Troitsk, Trovant Publ., 2016. 429 p. (in Russian).
15. Yafarov R. K. Fizika SVCh vakuumno-plazmennyh nanotekhnologij [Physics of microwave vacuum plasma nanotechnology]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 216 p. (in Russian).
16. Yafarov R. K. Nonequilibrium the Microwave Plasma of Low Pressure in Scientific Researches and Development Micro and Nanoelectronics. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Physics, 2015, vol. 15, iss. 2, pp. 16-31 (in Russian).
17. Saravanan A., Huang B. R., Sankaran K. J., Keiser G., Kurian J., Tai N. H., Lin I. N. Structural modification of nanocrystalline diamond films via positive/negative bias enhanced nucleation and growth processes for improving their electron field emission properties. J. Appl. Phys., 2015, vol. 117, pp. 215307. DOI: 10.1063/1.4921875
18. Yafarov R. K., Nefedov D. V., Shanygin V. Ya. Issle-dovaniye planarno-tortsevoy avtoemissii nanokompozit-nykh uglerodnykh pokrytiy s ul'tradispersnymi almazami [Investigation of the planar-end field emission of nano-composite carbon coatings with ultrafine diamonds]. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Aktual'nyye problemy elektronnogo pri-borostroyeniya": v 2 t. [International conference on Actual problems of electron devices engineering: in 2 vols.]. Saratov, Amirit Publ., 2018, vol. 1, pp. 147-154 (in Russian).
Cite this article as:
Yafarov R. K., Shanygin V. Ya., Nefedov D. V. Carbon Film Nanocomposite for High-Current Field Electron Sources. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Physics, 2019, vol. 19, iss. 1, pp. 68-75 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-68-75
