С.А. Багдасарян – к.т.н., ген. директор,

Научно-производственное предприятие «Технологии радиочастотной идентификации и связи» (Москва) Е-mail: bagdassarian@mail.ru

С.А. Налимов – ст. науч. сотрудник,

АО Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Москва)

Постановка проблемы. Углеродные материалы (алмаз, алмазоподобный углерод, углеродные нанотрубки и наностенки, графен и другие) находят применение в качестве эмитирующего слоя автоэмиссионных катодов (автокатодов), чувствительного слоя аналитических приборов и в других устройствах. Для создания автокатодов наиболее перспективны углеродные наностенки CН. Слои CН представляют собой пористый материал, состоящий из изогнутых пластин, сформированных слоями графена. Промышленному использованию автокатодов на основе CН препятствует неоднородность и нестабильность величины и плотности катодного тока. Для улучшения характеристик автокатодов на поверхности эмитирующего вещества формируют пленку AlN, который также обладает свойством автоэлектронной эмиссии.

Цель. Исследовать зависимость характеристик автокатодов от состава и строения эмитирующей структуры на основе углеродных наностенок, изготовленных методом тлеющего разряда, и на основе пленок AlN, полученных магнетронным распылением.

Результаты. Слои CН получали из газовой смеси Н2 и СН4, активированной тлеющим разрядом постоянного тока. Слои CН осаждали на кремниевых подложках и подложках, представляющих слоистую структуру, изготовленную формированием слоя опаловой матрицы (ОМ) на подложке из Si. Пленки AlN с контролируемыми составом и строением получали ВЧ-магнетронным реактивным распылением. Слои CН толщиной > 4 мкм формировали последовательным наращиванием двух слоев CН (структура Si/CН/CН). Дополнительный слой CН наращивали также на поверхности первого слоя CН, покрытом Ni (структура Si/СН/Ni/СН). Пленки AlN выращивали на слое CН (структуры Si/CН/AlN и Si/ОМ/Ni/CН/AlN). Показано, что пластины CН сформированы из частично связанных между собой атомными связями слоев графена (до 30 слоев), упакованных в гексагональную решетку, а пленки AlN – из аморфной и аксиально текстурированной кристаллической фаз. Вольт-амперные характеристики автокатодов измеряли в импульсном режиме при давлении ~10−3 Па. Структуры Si/CН/CН характеризуются порогом автоэмисcии ≤ 3,6 В/мкм и большой плотностью эмиccионных центров. Вольт-амперные характеристики слоистых структур Si/СН/AlN, Si/OM/Ni/CH и Si/OM/Ni/CH/AlN показали лучшие эмиссионные свойства по сравнению со структурой Si/CH.

Практическая значимость. Изученные вольт-амперные характеристики позволяют прогнозировать структуру и строение эмитирующего слоя для улучшения эксплуатационных характеристик многослойных автокатодов.

Багдасарян С.А., Налимов С.А. Строение и эмиссионные свойства структур на основе углеродных наностенок и нитрида алюминия // Электромагнитные волны и электронные системы. 2020. Т. 25. № 3. С. 20−28. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202003-03.

1. Cui L., Chen J., Yang B., Sun D. RF-PECVD synthesis of carbon nanowalls and their field emission properties // Applied Surface Science. 2015. V. 357. Part A. P. 1−7.
2. Tzeng Y., Chen C-L., Chen Y-Y., Liu C-Y. Carbon nanowalls on graphite for cold cathode applications // Diamond and Related Materials. 2010. V. 19 (2−3). P. 201−204.
3. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Багдасарян А.С. Наноструктурированные углеродные материалы в эмиссионной электронике // Российский технологический журнал. 2017. Т. 5. № 3(17). С. 22−40.
4. Wang H-X., Jiang N., Zhang H., Hiraki A. Growth of a three dimensional complex carbon nanoneedle electron emitter for fabrication of field emission devices // Carbon. 2010. V. 48. P. 4483−4488.
5. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Самойлович М.И., Багдасарян А.С. Влияние лазерного облучения и термической обработки на строение и автоэмиссионные свойства углеродных наностенок // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 3. С. 16−26.
6. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Тимофеев М.А., Ламский А.Н. Ненакаливаемые катоды на основе углеродных наноструктурированных слоистых структур // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2013. № 4. С. 31−36.
7. Wang C.C., Chiu M.C., Shiao M.H., Shieua F.S. Characterization of AlN thin films prepared by unbalanced magnetron sputtering // Journal of The Electrochemical Society. 2004. V. 151 № 10. P. 252−256.
8. Busta H.H., Chen J.M., Shen Z., Jansen K., Rizkowski S., Matey J., Lanzillotto A. Characterization of electron emitters for miniature x-ray sources // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2003. V. 21. P. 344−349.
9. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Пащенко П.В., Борисов В.В. Дзбановский Н.Н., Тимофеев М.А., Дворкин В.В., Пилевский А.А., Евлашин С.А. Получение и строение поликластерных пленок алмаза и алмазоподобных углеродных пленок // Наноинженерия. 2013. № 7. С. 16−25.
10. Самойлович М.И., Белянин А.Ф. Наноструктурированные пленки AlN: получение, строение и применение в электронной технике // Инженерная физика. 2006. № 5. С. 51−56.
11. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Житковский В.Д., Пащенко П.В., Тимофеев М.А., Ковальский К.А., Клещева С.М., Борисов В.В., Петухов К.Ю. Слоистые ненакаливаемые катоды // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 8. С. 39−48.
12. Самойлович М.И., Бовтун В., Ринкевич А.Б., Белянин А.Ф., Клещева С.М., Кемпа М., Нужный Д. Пространственнонеоднородные материалы на основе решетчатых упаковок наносфер SiO2 // Инженерная физика. 2010. № 6. С. 29−38.
13. Ринкевич А.Б., Бурханов А.М., Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Клещева С.М., Кузнецов Е.А. 3D-нанокомпозитные металлодиэлектрические материалы на основе опаловых матриц // Российский химический журнал. 2012. Т. LVI. № 1−2. С. 26−35.
14. Chen L., Liu H., Liu S., Li C., Wang Y., An K., Hua C., Liu J., Wei J., Hei L., Ly F. Growth of high quality AlN films on CVD diamond by RF reactive magnetron sputtering // Applied surface science. 2018. V. 431. P. 152−159.
15. Ma D.L., Liu H.Y., Deng Q.Y., Huang N., Leng Y.X., Yang W.M., Silins K. Optimal target sputtering mode for aluminum nitride thin films deposition by high power pulsed magnetron sputtering // Vacuum. 2019. V. 160. P. 410−417.
16. Tzeng Y., Chen W.L., Wu C., Lo J-Y., Li C-Y. The synthesis of graphene nanowalls on a diamond film on a silicon substrate by direct-current plasma chemical vapor deposition // Carbon. 2013. V. 53. P. 120−129.
17. Pimenta M.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Cancado L.G., Jorio A., Saito R. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy // Physical chemistry chemical physics. 2007. V. 9. P. 1276−1291.
18. Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nanodiabatic effects // Solid state communications. 2007. V. 143. P. 47−57.
19. Thornton J.Di-M. Carbon Nanowalls: Processing, Structure and Electrochemical Properties. Dissertation submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University. 2011. P. 55.
20. Shang N.G., Staedler T., Jiang X. Radial textured carbon nano flake spherules // Applied Physics Letters. 2006. 89. 103112. DOI: 10.1063/1.2346314.
21. Ferrari A.C., Meyer J.C., Scardaci V., Casiraghi C., Lazzeri M., Mauri F., Piscanec S., Jiang D., Novoselov K.S., Roth S., Geim A.K. Raman spectrum of graphene and graphene layers // Physical review letters. 2006. V. 97. 187401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.187401.
22. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С. Слоистая структура на основе пленок поликластерного алмаза и AlN для устройств на поверхностных акустических волнах // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 3. С. 30−38.
23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука. 1964. 567 с.
24. Oliveira C., Otani C., Maciel H.S., Massi M., Noda L.K., Temperini M.L.A. Raman active E2 modes in aluminum nitride films // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2001. V. 12. P. 259−262.
25. Liu L., Liu B., Edgara J.H., Rajasingam S., Kuball M. Raman characterization and stress analysis of AlN grown on SiC by sublimation // Journal of Applied Physics. 2002. V. 92. № 9. P. 5183−5188.