Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 6 05;11;12 Термополевые формоизменения сплава вольфрамЦгафний й О.Л. Голубев, В.Н. Шредник Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: V.Shrednik@pop.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 10 декабря 2002 г.) С помощью полевых эмиссионных методов изучалось одновременное воздействие сильных электрических полей и высоких температур на острийные полевые эмиттеры из сплава WЦHf. Для подобных сплавов выявлены в принципе те же стадии термополевого формоизменения, что и для чистых металлов, хотя и с рядом характерных особенностей, обусловленных поверхностной сегрегацией Hf. Термополевая обработка эмиттеров из таких сплавов приводила к существенному увеличению степени локализации эмиссии в узком телесном угле и к улучшению эмиссионных параметров эмиттеров. Термополевая обработка сопровождалась высокотемпературным полевым испарением с эмиссией преимущественно ионов Hf.

Введение левое испарение с термополевых микровыступов на поверхности твердого раствора Hf в Mo и с применением При одновременном воздействии на металлический атомного зонда [7] была выявлена заметная сегрегация образец сильного электрического поля (обычно срав- Hf на поверхности сплава. Однако в этих работах не нимого по величине с полем, вызывающем автоэлек- затрагивались проблемы морфологии, а также проблемы тронную эмиссию) и температуры, достаточной для создания точечных электронных эмиттеров с малой активации поверхностной диффузии, форма образца пре- расходимостью пучка электронов. Что касается сплавов терпевает вполне определенные изменения. Исходная WЦHf, то в [5] приводится лишь краткое описание спекскругленная форма кончика острия (а именно острийные тра полевого испарения с термополевых микровыступов, образцы используются в обсуждаемых экспериментах) выращенных на поверхности сплавного эмиттера, и при по мере роста напряженности электрического поля F этом упоминается обогащение гафнием ионного потока.

и температуры T оказываетя в меньшей или большей В данной работе, проведенной методами полевой степени ограненной (такие формы традиционно назы- эмиссионной микроскопии, ставилась задача подробно ваются перестроенными). Затем на ребрах и вершинах исследовать термополевые формоизменения (т. е. морограненного кристалла возникают относительно неболь- фологию) и эмиссионные свойства острийного моношие микровыступы. Эти термополевые микровыступы кристалла из сплава WЦHf. Изучение термополевого способствуют росту более крупных выступов, локали- воздействия на автоэмиттеры из сплавов, подобных зующихся в основном на плотноупакованных гранях Ч сплаву WЦHf, представляет большой интерес особенно так называемых макронаростов. Вершины и ребра ма- в связи с проблемой создания высокоэффективных токронаростов покрыты микровыступами. Как правило, чечных источников электронов и ионов, необходимых описанные формоизменения реализуются в поле по зна- для различных областей электронной техники и нанотехку, отвечающему положительно заряженному острию, нологии [8]. Обычное острие Ч автоэмиттер размером но в той мере, в какой процессы роста не приводят в доли микрона является вполне точечным источником к катастрофически развивающимся эмиссионным про- электронов и ионов. Однако для целей микроэлектроцессам, термополевая обработка может проводится и на ники и нанотехнологии простые автоэмиттеры могут остриях, заряженных отрицательно. На чистых тугоплав- оказаться непригодными главным образом вследствие ких металлах особенности термополевого воздействия того, что они эмиттируют довольно сильно расходящийизучены достаточно глубоко [1Ц3]. Однако в случае ся пучок частиц, телесный угол эмиссии при этом сплавов такого рода исследования в полном объеме не составляет обычно от 1 до 2 ster.

проводились. Мы будем называть точечными такие источники, котоВ данной работе исследуется термополевое воздей- рые имеют малый эффективный размер вплоть до одного ствие на сплав Hf с W при малых концентрациях Hf, атома на поверхности эмиттера и тем самым локализуют отвечающих твердому раствору. Родственными, близки- эмиссию в малом телесном угле. Существуют по меньми по кристаллографическим и эмиссионным свойствам шей мере три способа уменьшения эмитирующей плосплаву WЦHf являются, например, сплавы MoЦHf, WЦZr. щади и локализации эмиссии в малом телесном угле [9].

Термополевое воздействие на эти сплавы изучалось Первый способ состоит в понижении работы выхода в нескольких работах. Так, в [4] описана перестройка поверхности эмиттера на малом участке площади. Для в поле для сплава WЦZr и показано, что ее морфо- этого необходимо иметь на поверхности эмиссионнологические особенности заметно отличаются от случая активный материал, образующий малые островки на чистого вольфрама. В работах [5,6] исследовалось по- избранном участке поверхности. Второй способ состоит Термополевые формоизменения сплава вольфрамЦгафний в повышении величины локального электрического по- Результаты эксперимента ля F на таком участке поверхности за счет выращивания там пирамидального выступа. Третий способ состоит Для сравнения с экспериментами на сплаве WЦHf в совмещении обоих вышеописанных способов, так что приведем вначале данные по термополевой обработке на малом участке поверхности эмиттера одновременно исходного острия из чистого W. При относительно низ и понижается и повышается F [9, с. 221]. ких T и F, в нашем случае Ftr 0.4V/Aи T 1600 K, наблюдается начальная стадия перестройки острия в поАдсорбаты, подобные Zr и Hf, существенно понижают ле. Рост Ftr до 0.45Ц0.50 V/ и T до 1800 K ведет к боработу выхода поверхности W. Кроме того, слои Zr лее глубокой перестройке, наблюдается уже существени Hf на W локализуют эмиссию электронов в областях {001} W в узком телесном угле, образуя контраст- ное расширение плотноупакованных граней {011}, {001} и {211}. При T = 1800 K и Ftr = 0.55 V/A отдельные ные, ярко эмитирующие островки в этих областях при прогреве эмиттера даже и без присутствия внешнего малые наросты-микровыступы вырастают вокруг граней электрического поля [10,11]. Термополевая обработка {001}. Наконец, при T = 1850 K и Ftr = 0.6V/ обычных (несплавных) металлических эмиттеров также имеет место стадия значительного полевого кристаллипозволяет получить высокую локализацию эмиссии в уз- ческого роста, когда большие кристаллические наростыком телесном угле за счет образования острых микро- макронаросты растут в основном на плотноупакованвыступов [12]. Применение термополевого воздействия ных гранях острия, а на углах и ребрах макрок полевым эмиттерам из сплавов типа WЦHf должно кристаллов вырастают микровыступы. При этом вепозволить использовать преимущества обоих способов личина F возрастает от исходной Ftr до конечной локализцаии одновременно. Изучение морфологии тер- Ffin = 2.0-2.3V/.

мополевого воздействия на сплавы имеет самостоятель- Как показали эксперименты, при термополевой обраный интерес, поскольку это позволяет расширить пред- ботке острий из сплавов WЦHf наблюдаются в принципе ставления о кристаллическом росте в электрическом те же стадии термополевого формоизменения, что и для поле [2].

чистого W, но с существенными особенностями и при других T и F. После конденсации 10Ц20 моноатомных слоев Hf на поверхность W и последующего прогрева Техника эксперимента покрытия при T = 1500-1600 K в отсутствие внешнего поля на поверхности в областях {001} W образуются Работа проводилась с применением классических меярко эмитирующие двумерные островки Hf в виде пятен тодов полевой эмиссионной микроскопии. В качестве или колец (рис. 1, a). При этом исходная работа выхода объектов использовались образцы из сплавов, получаюповерхности снижается от величины = 4.5eV, харакщихся конденсацией нескольких десятков моноатомных терной для чистого W, до величины = 3.4-3.8eV слоев Hf на поверхность W острия с последующим прогревом таких покрытий при T 1600 K, обеспечивающим объемную диффузию атомов Hf. Эмиссионные картины изучаемого сплава не обнаруживали признаков неоднофазности. Из этого следует, что полученные таким путем сплавы представляли собой твердый раствор Hf в W с концентрацией Hf не выше 3 at.%, как это следовало из диаграммы состояния сплава WЦHf [13].

Это подтверждается также измерениями сплава. В нашем случае в зависимости от условий термополевой обработки величина составляла 3.4-3.8eV, тогда как, согласно [14], для сплава WЦHf с объемной концентрацией 3 at.% Hf величина = 3.51 eV в интервале T = 1300-1900 K.

При термополевом воздействии следует различать начальное поле обработки Ftr, которое всегда опредеРис. 1. Полевые электронные изображения поверхности ляется относительно исходной формы отжига острия, эмиттера из сплава WЦHf при термополевом воздействии.

и конечное поле Ffin, которое получается у поверхности Начальные стадии формоизменений эмиттера. a Ч после после изменения формы острия. Величины F и работы прогрева эмиттера при T = 1600 K в отсутствие внешневыхода поверхности определялись обычным спосого поля, b Ч после прогрева эмиттера при T = 1600 K бом из наклонов характеристик ФаулераЦНордгейма и Ftr = 0.53 V/, c Ч после прогрева эмиттера при T = 1600 K в предположении, что полное изменение наклона такой и Ftr = 0.6V/, d Ч после прогрева эмиттера при T = 1700 K характеристики соответствует изменению либо F, лии Ftr = 0.6V/, e Ч после прогрева состояния ДdУ при бо, когда один из этих параметров (тот, который не T = 1600 K в отсутствие внешнего поля, f Ч после прогрева изменяется) известен. эмиттера при T = 1800 K и Ftr = 0.6V/.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 120 О.Л. Голубев, В.Н. Шредник в зависимости от количества адсорбата и T прогрева. 3.16. Это способствует образованию островков Hf В этом случае эффективный угол эмиссии электронов именно в этих областях [10].

понижается до величин = 0.01-0.03 ster. Исходная Для микровыступов, показанных на рис. 1, d, веливеличина для W острия составляет 2 ster. Для харак- чины Ffin составляют обычно 2.3Ц2.4 V/, при таких теристики эмиссионных свойств полевых эмиттеров по- величинах F и T происходит высокотемпературное помимо вышеуказанных величин весьма полезной является левое испарение. При этом может быть зафиксирована величина приложенного напряжения U, необходимого заметная эмиссия ионов Hf с вершин микровуступов.

для получения фиксированного значения электронного В этом случае реализуется точечный источник ионов Hf с такими же величинами, что и для электронов, но тока. Мы использовали величину U10, необходимую для при этом величины эмиссионных токов и соответственно получения эмиссионного тока i = 10 nA. В случае плотности токов будут, разумеется, значительно меньше, эмиттера из сплава WЦHf, показанного на рис. 1, a, поскольку величины и самих ионных токов i на нескольвеличина U10 = 5700 V, тогда как для исходного острия ко порядков меньше по сравнению с электронными.

из чистого W эта величина U10 = 6850 V. Термополевое Обычно величины ионных токов i = 10-11-10-9 A, товоздействие на такие эмиттеры приводит к изменению гда как величины электронных токов лежат в интервале структуры эмитирующих колец в областях {001}, а также i = 10-7-10-5 A.

к заметному уменьшению величины. Однако прогрев острия при T = 1600 K и Ftr = 0.4V/ не приво- Если T повысить до 1800 K при том же Ftr = 0.6V/, количество микровыступов в областях граней куба воздит к перестройке острия, лишь исходные округлые растает (рис. 1, f). При этом наблюдается максимальная кольца вокруг {001} постепенно превращаются в квадстепень локализации эмиссии, поскольку в этом случае ратные. Повышение Ftr до 0.45Ц0.55 V/ при той же = 0.001-0.002 ster, а U10 снижается до минимальной T = 1600 K приводит к тому, что кольца в областях величины 2040 V.

{001} окончательно превращаются в квадраты, отраИнтенсивная стадия полевого кристаллического рожающие симметрию четвертого порядка граней {001} ста, когда наблюдается уже и рост больших макронаW (рис. 1, b). В этом случае наблюдается и переростов, требует прежде всего более высоких T. При стройка граней {111}, чего никогда не наблюдалось T = 1850 K и относительно низком Ftr = 0.35 V/ для чистого W. При этом U10 заметно уменьшается на тех же гранях {001} и на центральной грани {011} до 4070 V. Рост Ftr до величины 0.6 V/ при той же вырастают уже отдельные макронаросты, правда, не T = 1600 K приводит к тому, что ярко эмитирующие слишком большие. Подобные макронаросты на обеих квадраты в областях {001} распадаются на отдельные гранях {001} и центральной грани {011}, выявленные весьма малые эмитирующие точки. При этом наблюдапосле сглаживания микровыступов прогревом без поля ется также образование линий эмитирующих точек от при T = 1600 K, демонстрирует рис. 2, a. При этом граней {001} в направлении центральной грани {011}.

в областях {001} на поверхности макронаростов наблюЛинии эти на рис. 1, c, показывающем данное состояние даются отдельные островки Hf.

поверхности, не видны вследствие их слабого контраста Если повысить и T до 1850 K и Ftr до 0.7 V/, то по сравнению с сильно эмитирующими областями вомикровыступы образуются уже практически на всей покруг {001}. В этом случае величина U10 снижается до верхности острия (рис. 2, b). Если же сгладить микровыU10 = 3450 V.

ступы прогревом, то видно, что на многих гранях острия При той же величине Ftr = 0.6V/ и T = 1700 K выросли макронаросты разных размеров (рис. 2, c). При в областях {001} вырастает несколько острых микровыэтом в итоге обработки величина электрического поля ступов. На рис. 1, d можно видеть четыре таких микровыбыла максимальной Ffin = 2.45 V/ и также максимальступа вокруг верхней и три вокруг нижней грани {001}.

В этом случае наблюдается весьма сильная локализация эмиссии электронов, поскольку = 0.002 ster, при этом U10 уменьшается до 2300 V. Такую высокую степень локализации эмиссии трудно получить для эмиттера из сплава WЦHf, не прибегая к термополевой обработке. Если сгладить микровыступы осторожным прогревом при T = 1600 K без приложения внешнего поля, то можно видеть (рис. 1, e), что вся остальная поверхность острия не перестроена практически совсем, что весь процесс Рис. 2. То же, что на рис. 1, для стадии интенсивного полевого формоизменения затронул только области {001}, где кристаллического роста. a Ч после прогрева эмиттера при концентрация Hf по-видимому максимальна. Дело в том, T = 1850 K и Ftr = 0.35 V/ и последующего прогрева что Hf в этих областях W подобно Zr [15] может в отсутствие внешнего поля при T = 1600 K, b Ч после образовывать плотноупакованную квадратную решетку прогрева эмиттера при T = 1800 K и Ftr = 0.7V/, c Чпосле вследствие того, что атомный диаметр Hf Ч 3.18 [16] прогрева состояния ДdУ при T = 1600 K в отсутствие внешнего близок к межатомному расстоянию на грани {001} W Ч поля.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам