43 ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Страница 15

С. В. Гаврилов, Е. Н. Моос

ИЗМЕНЕНИЯ В АВТОЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ
С УЧЕТОМ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ
ПОТЕНЦИАЛЬНОГО БАРЬЕРА НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

 

Анализируются характеристики Фаулера – Нордгейма для различных кристаллографических направлений монокристалла Ir, покрытого пленкой Ce. Обнаружено проявление дополнительной структуры потенциального вала как изменение хода I=f(U) для области небольших полей.

 

Эмиссия частиц часто является основой для спектроскопических видов исследования и суждения об энергетической структуре твердого тела (ТТ). В последнее время в связи с развитием новых спектроскопических методов исследования вопросы физики эмиссии становятся особенно актуальными. Особенно это относится к таким современным и перспективным методам, как туннельная спектроскопия, где теория туннелирования электронов имеет ключевое значение. Эти методы благодаря своим возможностям исследования строения микрообъектов перспективны как для анализа поверхности, так и для нанотехнологии.

Для модельных представлений важно их подтверждение в других областях. Так, модель, ранее объяснившая положение максимума энергораспределения при термоэлектронной эмиссии [1], показала [2], что особенности в строении потенциала на границе твердого тела приводят к изменению вида поправки по Шоттки. Эта поправка дает отклонение тока эмиссии от прямой Фаулера – Нордгейма.

В данной работе ставится задача обнаружить особенности проявления дополнительного потенциального вала на эмиссионных спектрах, проводятся исследования обнаружения эмиссионных особенностей и обоснование общности модели на примере перспективной эмиссионной системы церий -  иридий.

Объект исследования был тот же, что и в работе [3]. На монокристаллическое острие Ir наносилось несколько (около шести) монослоев Ce. Осаждение проводилось при температуре 1700 К дающей равномерное покрытие в пределах кристаллографических граней. Измерения проводились при двух температурных режимах: 300 К и 120 К (охлаждение азотом для снижения уровня флюктуаций и уменьшения фактора теплового уширения спектров). Снимались: характеристики Фаулера – Нордгейма (см. рис.1 и 2), ширина энергораспределения на полувысоте и его асимметрия относительно энергии Ферми (см. рис.3). Энергетические состояния выше уровня Ферми заполнены в результате теплового возбуждения электронов. Измерения проводились для ориентаций {135}, {012}, имевших меньшую работу выхода, и {113} с большей работой выхода.

 

а) работа выхода 2,87 эВ,  Т=300 К                       б) работа выхода 3,03 эВ, Т = 120 К

 

Рис.1. Проявление потенциального вала в спектрах с относительно слабым полем при измерениях

В области относительно небольших значений поля, около 0,2 по шкале напряжений, наблюдаются отклонения тока от прямой Фаулера–Нордгейма в сторону меньшей скорости изменения тока от поля [изменение угла наклона зависимости I=f(U)]. Действия потенциального вала будут проявляться только при полях перехода к автоэмиссии (рис.1). Но с того же самого образца, при увеличении работы выхода, эмиссия может быть получена только при больших полях (рис.2). При увеличении поля положение ПВ на барьере меняется, что выводит его из области влияния на эмиссию [2].

Получена пропорциональность изменения полуширины (ПШ) на полувысоте работы выхода:

,

где E - напряженность поля, Δ – полуширина,  - работа выхода [3], n - степень. Но из анализа следует, что это - аномальный эффект, так как из модели свободных электронов по Янгу следует, что полуширина обратно пропорциональна работе выхода и определяется как

 

а) работа выхода 3,16 эВ,  Т = 300 К                     б) работа выхода 3,44 эВ,   Т = 120 К

 

Рис.2. Отсутствие проявления потенциального вала в спектрах с относительно сильным полем при измерениях

.


Наличие дополнительного ПВ на поверхности ТТ также может быть применено к объяснению уширения энергораспределения. Его можно приписать прохождению потенциальным валом области энергий Ферми [2], что должно сказаться на потоке автоэлектронов. Потенциальный вал изменит форму и ширину потенциального барьера в области, эмитирующей электроны.

Замечен различный вклад в уширения энергораспределения электронов, эмитирующих из зон выше и ниже уровня Ферми. Первая составляющая, связанная с темпера-

 

турным размытием незначительно изменяется при изменении поля. Та же часть энергораспределения, которая определяется электронами ниже энергии Ферми, обеспечивает все изменения полуширины (см.рис.3).

В дальнейшей работе предполагается воспользоваться методом численного эксперимента [1,2] для доказательства предложенных гипотез, качественно, объясняющих особенности автоэмиссии.

 

Библиографический список

 

1. Гаврилов С.В., Моос Е.Н. Распределение электронов по энергиям и особенности поверхностного барьера// Проблемы электронной техники:  Межвуз. сб. / РГРТА. Рязань, 1996. С.31-35.

2. Гаврилов С.В. и Моос Е.Н. Поправка к работе выхода в нормальном эффекте Шоттки //Радиотехника и электроника. 2000. Т.45. №12. С.1499-1500.

3. Анисимов Н.А., Духовный О.В., Моос Е.Н. и Тумарева Т.А. Определение особенностей электронного строения твердотельных объектов  на основе анализа энергетического спектра автоэлектронов //ФТТ. 1993. 35(3). С.552-556.

4. Young R. D. Theoretical total-energy distribution of field-emitted electrons //Phys. Rev. 1959. V.113. N.1. P.110-114.

 

Материал поступил в редколлегию 28.02.02