Квантово-размерный эффект при автоэлектронной эмиссии из углеродного нанокристалла Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

раздел ФИЗИКА

ББК: 32.86

УДК: 537.533.2: 661.66

КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ИЗ УГЛЕРОДНОГО НАНОКРИСТАЛЛА

Лобанов В.М.*

В условиях сверхвысокого вакуума с помощью автоэлектронного проектора и электростатического дисперсионного энергоанализатора измерены вольтамперные характеристики и энергораспределения автоэлектронов из углеродного нанокристалла на поверхности углеродного волокна. Энергораспределение автоэлектронов, покрытое сетью дополнительных равноотстоящих максимумов с шагом ~80 мэВ, с увеличением анодного напряжения линейно смещалось в область низких энергий. Полученные результаты обсуждаются в рамках модели эмиссии электронов из углеродного кристалла малых размеров в условиях проникновения электрического поля под его поверхность.

Углеграфитовые материалы, обладающие высокой температурой плавления и слабой адсорбционной способностью остаточных газов, принадлежат к самым перспективным материалам для изготовления автоэлектронного катода, работающего в условиях высокого и высокого технического вакуума. Для заострения катодов применяются методы электрохимического травления, травления в коронном разряде на воздухе, в тлеющем разряде в атмосфере инертного газа и др. Наименьший радиус закругления вершины острия дает метод электрохимического травления , - так, например , получают острия для полевой ионной микроскопии с радиусом закругления до 10 нА [1]. Нами был опробован метод электрохимического заострения углеродного полиакрилонитрильного волокна (ПАН УВ), с температурой термообработки 900 °С, для его исследования с помощью автоэлектронного проектора и энергоанализатора автоэлектронов.

Углеродное волокно клеилось на вольфрамовую дужку с помощью аквадага, после сушки заострялось электрохимическим травлением в насыщенном водном растворе КОН, затем тщательно промывалось в дистиллированной воде и обезвоживалось в этиловом спирте. В вакуумной камере автокатод обезгаживался прогревом при температуре ~900 °С. Давление остаточных газов во время исследования не превышало 510-10 Торр.

Эмиссионное изображение острия в автоэлектронном проекторе представляло собой несколько отдельных небольших нерегулярно расположенных пятен, наиболее яркое из которых выводилось на зондирующее отверстие энергоанализатора. Энергораспределение автоэлектронов измерялось в диапазоне анодных напряжений от 2000 В до 3500 В , что соответствовало изменению величины полного тока катода от 0 , 05 нА до 3,1 нА. Вольтамперная характеристика полного тока катода в координатах Фаулера-Нордгейма имела прямолинейный вид, см. рис. 1.

10000/и, 1/В

Рис. 1. Вольтамперная характеристика полного тока ПАН УВ-автокатода.

Лобанов Вячеслав Михайлович - к.ф.-м.н., доцент каф физики БашГУ

Вестник Башкирского университета.2005.№3.

27

Измеренное энергораспределение автоэлектронов было довольно широким, - с ростом анодного напряжения его ширина на полувысоте возрастала от 0, 7 эВ до 1, 2эВ. Кроме того, с повышением анодного напряжения энергораспределение смещалось в область низких энергий с шагом прямо пропорциональным шагу анодного напряжения. Измеренная зависимость смещения максимума АЕт энергораспределения относительно уровня Ферми от анодного напряжения представлена на рис. 2.

иаэ, кВ

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6

Рис. 2. Смещение максимума энергораспределения автоэлектронов из углеродного нанокристалла относительно уровня Ферми.

Такое смещение наблюдается при автоэлектронной эмиссии из полупроводников , когда электрическое поле проникает под поверхность эмиттера и вызывает туннелирование электронов через запрещенную зону из валентной зоны в зону проводимости - эффект Зинера [2]. Таким образом , линейное смещение энергораспределения свидетельствовало о сильном проникновении электрического поля под поверхность зондируемой области углеграфитового автокатода, обладавшей кристаллической структурой и свойствами полупроводника.

Высокоэнергетический край и вершина энергораспределения автоэлектронов имели особенность - при некоторых значениях анодного напряжения они были покрыты сетью дополнительных равноотстоящих максимумов с шагом ~80 мэВ. Наибольших значений высота этих максимумов достигала при анодных напряжениях 2900, 3100, 3300 и 3500 В, см. рис. За и Зв. При других анодных напряжениях высота максимумов была меньшей, их форма искажалась. Так при иа=3000 В, см. рис. Зб, высота дополнительных максимумов достигала наибольшей величины на вершине и у подошвы высокоэнергетического края, а в средней части высокоэнергетического края была невелика, форма их существенно искажалась тем, что их вершинки раздваивались. Такой же характер имели искажения дополнительных максимумов и при других анодных напряжениях.

а) б)

л: иа=зюов

о

V

Рис. 3. Энергораспределение автоэлектронов из углеродного нанокристалла покрытое сетью

дополнительных равноотстоящих максимумов:

а) при иа= 2900 В

б) прииа=3000В

в) при иа= 3100В

-20

-19

в)

-18

-17 Е, эВ

В основу объяснения полученных результатов была положена модель автоэлектронной эмиссии из углеродного нанокристалла, обладающего свойствами полупроводника. В соответствии с современными представлениями углеграфитовые материалы после термообработки при температуре 900 °С состоят из двух фаз: кристаллической фазы турбостратной структуры, обладающей свойствами полупроводника, и аморфной. Размеры образующихся нанокристаллов лежат в пределах 1,5-8 нм [3]. При таких размерах распределение электронов по энергиям в кристалле становится дискретным (квантово-размерный эффект). Туннелирование электронов сквозь барьерный клин с дискретных уровней, отстоящих друг от друга на ~80 мэВ и проявилось в виде сети дополнительных равноотстоящих максимумов в энергораспределении автоэлектронов, см. рис. 4.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма автоэмиссии электронов из углеродного нанокристалла при иаэ= 3100 В.

Проникновение электрического поля, а вместе с ним и передней стенки потенциального барьера под поверхность нанокристалла приводило к уменьшению ширины потенциальной ямы, в которой находились электроны. При этом анодные напряжения 2900, 3100, 3300 и 3500 В, при которых высота дополнительных максимумов в энергораспределениях автоэлектронов достигала наибольших значений, очевидно, соответствовали случаям когда ширина потенциальной ямы оказывалась кратной половине длины осцилляции волновой функции электронов нанокристалла. Это позволяет оценить прирост глубины проникновения электрического поля в исследуемый углеродный нанокристалл половиной длины осцилляции волновой функции электронов на каждые 200 В анодного напряжения.

Е

7

ЛИТЕРАТУРА

1. Ксенофонтов В. А., Михайловский И.М., Кулько В.Б. // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 8, С. 1583-1587.

2. И.Л. Сокольская, Г.П. Щербаков // ФТТ. 1961. Т. 3, № 1, С. 167-175.

3. Тарасевич М.Р. Электрохимия углеродных материалов. М.: Наука, 1984, 253 с.

Поступила в редакцию 31.05.04 г.