Analýza a charakterizace spirálně uspořádané autoemisní nanostruktury

Abstract

Katody obsahující pole emitorů s vysokým poměrem stran budí velký zájem jako elektronové zdroje pro vakuová zařízení. Ve snaze maximalizovat proud a proudovou hustotu byly navrženy hustší pole emitorů. To však vedlo k nežádoucím účinkům, jako je stínění pole, způsobené přítomností okolních emitorů v poli. Pro snížení efektu stínění, a tím pádem zvýšení proudové hustoty, bylo navrženo pole emitorů s uspořádáním inspirovaným přírodním principem fylotaxe. Takto navržená struktura mikropilířů byla vytvořena pomocí elektronové litografie a reaktivního iontového leptání. K vytvoření ultra ostrých hrotů s poloměrem v řádu desítek nanometrů na vrcholu každého mikropilíře byla použita technika leptání black siliconu. Analýza topografie vzorku byla provedena pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Pro stanovení výstupní práce byla použita ultrafialová fotoelektronová spektroskopie. Pro zjištění emisních vlastností vyrobených struktur byl zkonstruován emisní mikroskop, jehož elektronové dělo bylo upraveno tak, aby vyrobená struktura sloužila jako katoda. Graf Murphy-Good byl použit k analýze dat o emisních vlastnostech, na které byl aplikován ortodoxní test pro kontrolu validity. Pro sledování fluktuací proudu bylo provedeno měření stability.

Cathodes containing arrays of high aspect ratio field emitters are of great interest as sources of electron beams for vacuum electronic devices. The desire to maximize current and current density leads to the design of denser arrays. However, denser arrays lead to undesirable field shielding effects caused by the presence of surrounding emitters in the array. To reduce the shielding effect and thus maximize the field enhancement, an array of emitters was designed with an arrangement inspired by the natural phenomenon of phyllotaxis. The structure thus designed was created using electron beam lithography and reactive ion etching to form micropillars. A black silicon etching technique was used to create ultra-sharp tips with a radius in the order of tens of nanometers on the top of each micropillar. Analysis of the sample topography was performed by Scanning electron microscopy. Ultraviolet photoelectron spectroscopy was used to determine the work function. To find out the emission properties of the fabricated structures, a Field emission microscope was constructed and its electron gun was modified to experimentally use the fabricated structure as the cathode. A Murphy-Good plot was used to analyze the field emission data, to which the orthodoxy test was applied to check the validity of the experimental I-V data. Current stability measurement was performed to observe current fluctuations.