Введение
1. Современное состояние вопроса: эмиссионные модели 13
1.1. Усиление поля на внешней границе эмиттера 13
1.2. Усиление поля элементами внутренней структуры 17
1.3. Пониженная работа выхода 20
1.4. Размерные эффекты 27
1.5. Эффекты, связанные с латеральной неоднородностью поверхности 34
1.6. Проникновение поля в эмиттер, «горячие» электроны 37
1.7. Эффекты, связанные с электрон-фононным взаимодействием 43
1.8. Заключение к главе 44
2. Методика экспериментальных исследований 46
2.1. Измерение статических эмиссионных характеристик и пространственного распределения эмиссионного тока 46
2.2. Методика измерения динамических эмиссионных характеристик
2.3 Методика изучения пространственно-временных корреляций локальных эмиссионных токов 51
2.4 Методы изучения топографии поверхности, состава, структуры и электронных свойств образцов 55
3. Экспериментальные исследования 57
3.1. Эмиссия в импульсных полях 57
3.1.1. Объекты исследований 58
3.1.2. Эмиссионные характеристики для колоколообразных импульсов напряжения микросекундной длительности 59
3.1.3. Феноменологическая модель механизма эмиссии как двухступенчатого процесса 63
3.1.4. Влияние скоростей нарастания и спада напряжения на вид эмиссионных характеристик 67
3.1.5. Эволюция эмиссионных характеристик при изменении состояния эмиттера 75
3.1.6. Зависимость эмиссионных свойств наноуглеродных материалов от геометрии полевого зазора 77
3.1.7. Выводы по итогам раздела 79
3.2. Статистические свойства и корреляция флуктуаций локальных эмиссионных токов 81
3.2.1. Эмиссионные изображения и флуктуации локальных токов 82
3.2.2. Корреляция флуктуаций токов различных участков эмиттера 84
3.2.3. Скачки тока 86
3.2.4. Обсуждение 88
3.2.5. Выводы по итогам раздела 89
3.3. Сравнительные исследования морфологии и эмиссионных свойств различных видов наноструктурированных углеродных материалов 90
3.3.1. Нанопористый углерод 91
3.3.1.1. Происхождение и морфология образцов 91
3.3.1.2. Эмиссионные характеристики 94
3.3.1.3. Обсуждение и выводы 97
3.3.2. Наноалмазный композит 99
3.3.2.1. Сведения о структуре материала 99
3.3.2.2. Эмиссионные свойства и их температурная зависимость 99
3.3.2.3. Обсуждение и выводы 102
3.3.3. Никель-углеродный нанокомпозит 105
3.3.3.1 Образцы покрытий и их морфология 105
3.3.3.2. Эмиссионные характеристики несплошных покрытий 107
3.3.3.3. Эмиссионные характеристики однослойных покрытий 108
3.3.3.4. Эмиссионное поведение образца толстого покрытия 109
3.3.3.5. Выводы по итогам раздела 112
3.3.4. Островковые пленки углерода на кремнии, нанесенные методом химического осаждения 113
3.3.4.1. Топография и состав покрытий 114
3.3.4.2. Эмиссионные свойства и их термическое активирование 118
3.3.4.3. Выводы по итогам раздела 123
3.3.5. Углеродные пленки на кремнии, нанесенные методом магнетронного распыления 123
3.3.5.1. Топография поверхности образцов 124
3.3.5.2 Эмиссионные характеристики образцов и их эволюция при отжиге 126
3.3.5.3. Обсуждение и выводы 129
3.4. Дополнительные исследования фазового состояния и электронных свойств островковых покрытий на кремнии 130
3.4.1. Туннельные изображения и спектры 130
3.4.2. Фотоэлектрические свойства наноуглеродных структур 132
3.4.3. Обсуждение модели фотопроводимости островковых углеродных покрытий и ее возможной связи с моделью облегченной эмиссии 135
3.5. Управление фазовым составом углеродных покрытий посредством ионной бомбардировки 140
3.5.1. Образцы покрытий: технология нанесения и свойства в исходном состоянии 140
3.5.2. Изменение свойств покрытий под действием ионной бомбардировки 142
3.5.3. Обсуждение и выводы 144
4. Модели эмиссионного механизма 145
4.1. Упрощенная численная модель динамики двухступенчатого эмиссионного процесса 145
4.1.1. Основные уравнения модели и ee программная реализация 145
4.1.2. Моделирование динамических характеристик эмиссии в импульсном поле 151
4.1.2.1. Короткоимпульсный режим 152
4.1.2.2. Режим насыщения заселенности состояний поверхностного домена 155
4.1.2.3. Режим ограничения тока внутренним барьером 156
4.1.2.4. Режим ограничения тока инжекции в поверхностный домен накопленным зарядом 1 4.1.3. Моделирование особенностей статических эмиссионных характеристик 158
4.1.4. Применение численной модели для анализа экспериментальных данных
о динамических характеристиках эмиссии из наноуглеродных материалов 166
4.1.4.1. Общие черты сценария изменения экспериментальных кривых при варьировании параметров импульса поля 166
4.1.4.2. Эмиттеры на основе астраленов 169
4.1.4.3. Эмиттеры на основе нанопористого углерода 170
4.1.5. Моделирование активирующего действия переменных полей и автоколебаний эмиссионных токов 172
4.1.5.1. Активирование эмиссии кратковременным спадом поля 172
4.1.5.2. Активирование эмиссии высокочастотной составляющей поля 174
4.1.5.3. Развитие автоколебаний эмиссии и их активирующее действие 177
4.1.6. Выводы по итогам раздела 179
4.2. Распределение электрического поля в изучавшихся наноуглеродных структурах 181
4.2.1. Усиление поля в результате поляризации наночастиц 182
4.2.2. Моделирование распределения электрического поля для островковой пленки на полупроводящей подложке 184
4.3. Модель эмиссии из островковой пленки в слабых полях, усиленной действием собственного заряда островков 188
4.3.1. Исходные положения 188
4.3.2. О влиянии разменных эффектов на время жизни горячих носителей в эмиссионном центре 190
4.3.3. Термоэлектрические явления в окрестности эмиссионного центра 196
4.3.4. Общая формулировка модели и ее обсуждение 208
5. Вакуумный датчик с холодным наноуглеродным катодом 212
5.1. Общая схема датчика 212
5.2. Расчет электронно-оптической системы 213
5.3. Результаты экспериментального тестирования макетов датчика
6. ОБЩЕЕ заключение и выводы 217
7. Список литературы
