ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 4, с. 5-8
УДК 536.9:621.039.6
ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ НА АВТОЭЛЕКТРОННУЮ ЭМИССИЮ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 2013 г. Н. Н. Андрианова1, А. М. Борисов1, В. В. Борисов1, Ю. С. Виргильев2, Е. С. Машкова1, В. С. Севостьянова1, М. А. Тимофеев1
1НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия 2ОАО "НИИграфит", Москва, Россия Поступила в редакцию 17.07.2012 г.
Изучена автоэлектронная эмиссия поверхностей высокоориентированного пиролитического (ВОПГ) графита УПВ-1Т и стеклоуглерода СУ-2000 после облучения ионами Аг+ с энергией 30 кэВ при различных температурах и углах падения ионов на мишени. Найдено, что облучение грани (001) УПВ-1Т при температурах Т = 250 и 400°С приводит к появлению низковольтной автоэлектронной эмиссии с пороговыми значениями напряженности поля от 3 до 17 В/мкм в зависимости от температуры и геометрии облучения. Наименьший порог полевой эмиссии наблюдается после облучения при Т« 250°С и нормальном падении ионов. Показано, что ионное облучение стеклоуглерода также может привести к низковольтной АЭЭ его поверхности.
Б01: 10.7868/80207352813040045
ВВЕДЕНИЕ
Многие углеродные материалы являются кан-дидатными для автоэмиссионных катодов [1]. Известно также, что полевая эмиссия пиролитиче-ских графитов анизотропна. Максимальное значение автоэлектронной эмиссии можно получить с торцов пластинок пирографита, в то время как с базисной плоскости эмиссия практически не наблюдается. Для получения электрического поля, необходимого для обеспечения полевой эмиссии, часто используют усиление поля на микроостриях. Одним из эффективных способов получения мик-роострий служит ионное облучение [2].
Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) среди других углеродных материалов наиболее близок по свойствам к монокристаллу графита и обладает наибольшей анизотропией физических свойств. В частности, анизотропия самодиффузии приводит при ионной бомбардировке к сильной зависимости развивающейся морфологии поверхности от угла падения ионов и температуры, при которой производится ионное облучение [3, 4]. Исследования [5] топографии базисной грани (001) образцов ВОПГ УПВ-1Т после облучения ионами Аг+ с энергией 30 кэВ показали, что наиболее развитый рельеф образуется при температуре ионно-индуцированного текстурного перехода Т = 150°С. Рельеф представляет собой сетку тонкостенных хребтов, которые, срастаясь, образуют колонии конусов нанометри-ческого масштаба с плотностью ~108 см-2. Вместе с тем, такая модификация поверхности не изме-
няет характерную для базисной грани ВОПГ низкую эмиссионную способность и не приводит к появлению низковольтной полевой эмиссии. Исследования [6, 7] ионно-индуцированных структурно-морфологических состояний ВОПГ при облучении ионами Аг+ с энергией 30 кэВ при температурах от комнатной до 400°С показали наличие, по крайней мере, четырех модификаций поверхности, отличающихся не только рельефом, но и атомной структурой поверхностного слоя. Две из них, получаемые при температурах 250 и 400°С и характеризующиеся развитым рельефом, были выбраны в настоящей работе для исследования автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) и показали наличие низковольтной полевой эмиссии. Одно из найденных условий облучения, использованное для стеклоуглерода СУ-2000, также привело к появлению низковольтной полевой эмиссии. В работе предпринята обычная в такого рода исследованиях [8] попытка установить связь между эмиссионными свойствами и изменениями в спектрах комбинационного рассеяния света поверхностью углеродных материалов.
ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве мишеней использовали пластинки высокоориентированного пиролитического графита производства НИИграфит марки УПВ-1Т и стеклоуглерода СУ-2000. Квазимонокристалл УПВ-1Т является наиболее близким к монокристаллу графита. Его мозаичная структура харак-
6
АНДРИАНОВА и др.
теризуется осевой текстурой в направлении [001], нормальном к поверхности пластинок, ра-зориентировка базисных плоскостей в образцах не превышает 50'. Поверхность образцов перед облучением была близка к зеркальной. Для образцов УПВ-1Т такая поверхность получается при съеме верхнего слоя липкой лентой. Для образцов СУ-2000 проводили механическую полировку до оптического класса чистоты. Облучение грани (001) ионами Аг+ энергии 30 кэВ по нормали и под углом 70° к поверхности проводили на масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ [9]. Плотность ионного тока составляла 0.4 мА/см2, площадь облучения ~0.3 см2. Флуенс ионного облучения составлял 1018 ион/см2. Для нагрева мишеней до температуры 400°С использовали плоский танта-ловый нагреватель. Температуру поверхности контролировали хромель-алюмелевой термопарой, закрепляемой на лицевой стороне мишеней вне зоны облучения. Анализ морфологии поверхности проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Автоэмиссионные свойства исследовали с помощью широкоапертурного диодного тестера автоэлектронной эмиссии [10]. При измерении вольт-амперных характеристик анод диаметром 2 мм располагался на расстоянии от катода ~100 мкм. Визуализацию картин полевой эмиссии проводили при использовании в качестве анода стекла с металлизированной пленкой, на которую нанесен люминофор. Прикладываемое импульсное напряжение частотой 50 Гц и длительностью 50 мкс достигало 3 кВ. Спектроскопию комбинационного рассеяния света (КР) проводили на установке NT-MDT NTEGRA-Spectra с излучением Не-№-лазера (к = 632.8 нм). Дифракционный предел пространственного разрешения: <200 нм по осям х и у; <500 нм по оси г (глубине образца).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Условия облучения ВОПГ УПВ-1Т выбирали по результатам мониторинга структурно-морфологических изменений материала с помощью измерения температурной зависимости коэффициента ионно-электронной эмиссии в процессе его облучения при нормальном падении пучка и нагреве от комнатной температуры до Т ~ 400°С [7]. Облучение проводили по нормали к поверхности при температурах 90, 150, 250, 400°С и под углом 9 = 70° (Т ~ 250°С), с одним и тем же флуенсом 1018 ион/см2. Детальное описание ионно-индуци-рованных изменений поверхности УПВ-1Т содержится в [6, 7]. Исходная зеркальная поверхность УПВ-1Т остается при ионном облучении относительно гладкой лишь при температурах, близких к комнатной. После облучения при Т ~ 150°С поверхность усеяна субмикронными конусами с плотностью ~108 см-2 (рис. 1). Как нормальное, так
и наклонное ионное облучение при Т~ 250°С приводит к развитой морфологии поверхности в виде квазипериодической системы сросшихся хребтов с игольчатыми вершинами. Облучение при Т ~ ~ 400°С приводит к мозаичной структуре, состоящей из кратеров с уплощенным дном диаметром 1.5-3.0 мкм, окруженных стенками сросшихся конусов.
При исследовании автоэлектронной эмиссии оказалось, что все случаи облучения, кроме первого, при Т ~ 150°С, отмеченного во Введении, приводят к появлению низковольтной полевой эмиссии. Соответствующие вольт-амперные характеристики АЭЭ приведены на рис. 2. Их анализ и сопоставление показывает, что пороговая напряженность появления АЭЭ без учета форм-фактора меняется от 3 до 17 В/мкм в зависимости температуры и геометрии облучения. Наименьший порог полевой эмиссии наблюдается после облучения при Т ~ 250°С и нормальном падении ионов. Сравнение эмиссионных картин на люми-нофорном экране диодного тестера показывает, что наибольшая плотность эмиссионных центров наблюдается для поверхности УПВ-1Т после облучения по нормали к поверхности при температуре 250°С, а наименьшая - при 400°С. Отметим, что в аналогичных условиях испытаний в диодном тестере [10] высокую эмиссионную способность проявляют углеродные пленки, получаемые методом плазменного газофазного осаждения [11]. Эти пленки на микроскопическом уровне имеют ребристую структуру с плотностью в несколько ребер на площади в 1 мкм2. Полученный материал характеризовали как микрографит с размером кристаллитов 5-7 нм.
Влияние ионного облучения на полевую эмиссию стеклоуглерода СУ-2000 проводили при температуре Т~ 250°С и наклонном падении (9 = = 70°) ионов Аг+ с энергией 30 кэВ. Найдено, что, как и для пирографита УПВ-1Т, ионное облучение приводит к появлению низковольтной полевой эмиссии с пороговой напряженностью поля около 4 В/мкм.
Спектроскопия комбинационного рассеяния является стандартным неразрушающим методом исследования кристаллического, нанокристалли-ческого и аморфного состояния углеродных материалов [12]. КР-спектры содержат два основных пика — б-пик при 1580-1600 см-1 и .О-пик при ~1350 см-1. В исходных КР-спектрах ВОПГ доминирует б-пик (рис. 3). Разупорядочение под действием ионного облучения может приводить к значительному уширению и многократному увеличению высоты .О-пика относительно б-пика. Приведенные на рис. 3 примеры КР-спектров, полученные для пирографита УПВ-1Т до и после ионного модифицирования, свидетельствуют о сильном влиянии на спектры температуры и гео-
ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ НА АВТОЭЛЕКТРОННУЮ ЭМИССИЮ
7
Рис. 1. РЭМ-микрофотографии (с наклоном образца 30°) поверхности УПВ-1Т, облученной ионами Аг+ 30 кэВ при температурах Т 150 (а), 250 (б, в), и 400°С (г) для нормального падения ионов, кроме случая (в) с углом падения 9 = 70°. Стрелкой отмечено направление падения ионов.
метрии, при которой проводилось облучение. Характерными особенностями в КР-спектрах от поверхности, дающей низковольтную полевую эмиссию, являются смещения на частотах ~1050 и
~1400 см-1. Предварительный анализ и сопоставление с литературными данными [13] позволяет связать первое смещение с образованием включений углерода с ¿^-гибридизацией, второе — с
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики поверхности УПВ-1Т после облучения ионами Аг+ 30 кэВ при Т я я 250°С, 9 = 0° (1); Тя 250°С, 9 = 70° (2); Тя 400°С, 9 = 0° (3).
I, отн. ед.
Рис. 3. КР-спектры для пирографита УПВ-1Т до (1) и после облучения ионами Аг+ с энергией 30 кэВ для нормального падения ионов при Т я 150°С (2) и 400°С (3). Стрелками отмечены особенности в спектр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.