Спосіб виготовлення вістряного автоемітера з локалізованою емісією

Способ изготовления острийного автоэмиттера с локализованной эмиссией, включающий электрохимическое травление острия из вольфрамовой проволоки с осевой текстурой, формирование атомногладкой поверхности вершины острия в полевом эмиссионном микроскопе и создание на вершине острия микровыступа с эмиттирующим комплексом атомов, отличающийся тем, что микровыступ создают с радиусом кривизны менее 9 нм и подвергают его испарению в электрическом поле напряженностью 5,5–5,9×1010 В/м до получения на вершине эмиттирующего комплекса. (19) (21) 96124494 (22) 02.12.1996 (24) 16.10.2000 (33) UA (46) 16.10.2000, Бюл. № 5, 2000 р. (72) Михайловський Ігор Михайлович, Велікодна Ольга Олександрівна, Єресько Анатолій Прокопович, Мазилова Тетяна Іванівна, Полтинін Павло Якович (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР "ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ" 28387 производительность. Производительность способа ограничивается временем, необходимым для обеспечения сверхвысокого вакуума в процессе термообработки. При проведении термополевой обработки в техническом вакууме (давление выше 10-6 Па) атомы остаточных газов оказывают неконтролируемое воздействие на протекание поверхностных диффузионных процессов и формирование микровыступа, т.е. воспроизводимость низка. В основу изобретения поставлена задача разработки способа изготовления острийного автоэмиттера с локализованной эмиссией, путем испарения микровыступа с определенной геометрией в электрическом поле высокой напряженности, позволяющего достичь повышенной воспроизводимости и производительности способа. Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем электрохимическое травление острия из вольфрамовой проволоки с осевой текстурой, формирование атомногладкой поверхности вершины острия в полевом эмиссионном микроскопе и создание на вершине острия микровыступа с эмиттирующим комплексом атомов, в соответствии с изобретением, микровыступ создают с радиусом кривизны менее 9 нм и подвергают его испарению в электрическом поле напряженностью 5,5-5,9×1010 В/м до получения на вершине эмиттирующего комплекса. Сущность изобретения поясняется следующим образом. При радиусе кривизны микровыступа менее 9 нм размер рабочего участка может в процессе полевого испарения быть доведен до эмиттирующего комплекса, состоящего из нескольких атомов (вплоть до моноатомного). При радиусе кривизны микровыступа больше 9 нм происходит резкое возрастание скорости испарения и эмиттирующий комплекс не формируется. Наличие осевой текстуры обеспечивает возможность создания микровыступа, непосредственно в центре острия. Отсутствие осевой текстуры проволоки приводит к возникновению микровыступа не на оси острия, что снижает воспроизводимость электронно-оптических характеристик. При напряженности электрического поля ниже 5,5×1010 В/м испарение микровыступа не происходит образование эмиттирующего комплекса. При напряженности электрического поля в предлагаемом интервале создается полевой ионизационный барьер, препятствующий загрязнению поверхности острия (в том числе и микровыступа) остаточными газами, и происходит формирование эмиттирующего комплекса на микровыступе без применения сверхвысокого вакуума. Это определяет высокую производительность предлагаемого способа. При напряженности электрического поля выше 5,9×1010 В/м происходит механическое разрушение острия под действием пондеромоторных сил электрического поля. Таким образом, предлагаемый способ, как и способ-прототип, позволяет изготовить автоэмиттер с предельной локализацией эмиссии и расположением рабочего участка на оптической оси. Предложенный метод характеризуется высокой воспроизводимостью и производительностью, связанной с нечувствительностью процесса полевого испарения к вакуумным условиям. При поле вом испарении над обрабатываемой поверхностью создается полевой ионизационный барьер, препятствующий ее загрязнению остаточными газами, что позволяет осуществлять обработку в техническом вакууме и тем самым обеспечивается высокая производительность. На фиг. 1 представлено полевое ионномикроскопическое изображение острия с радиусом кривизны у вершины острия микровыступа 8,5 нм после сформирования полевым испарением эмиттирующего комплекса из четырех атомов; на фиг. 2 - полевое ионно-микроскопическое изображение вершины острийного автоэмиттера с радиусом микровыступа 9,5 нм; размер эмиттирующего комплекса составляет 50 атомов. Пример Способ изготовления острийного автоэмиттера был испытан в лабораторныхусловиях. Острия изготавливались методом электрохимического травления в однонормальном растворе едкого натра из вольфрамовой проволоки диаметром 0,2 мм. После этого острия устанавливались в полевой эмиссионный микроскоп с давлением остаточных газов (2-4)×10-5 Па, формировалась атомногладкая поверхность полевым испарением при 80 К и определялись радиусы кривизны вершины острия (приведенные в таблице). Затем в рабочую камеру микроскопа напускался неон до давления (3-5)×10-2 Па и подавалось отрицательное напряжение 0,8-2,5 кВ, соответствующее плотности автоэлектронного тока порядка 106107 А/см. При этом происходило формирование микровыступа, размер которого контролировался ионно-микроскопически (см. таблицу). После этого на острие подавалось положительное напряжение 3,0-25,0 кВ и выдерживалось в течение времени (5-15 с), необходимого для сформирования на вершине микровыступа рабочей части эмиттера в виде группы атомов необходимых размеров. Общее время получения острийного автоэмиттера по предлагаемому способу составляет (0,10,2) часа. В таблице приведены данные испытания способа изготовления острийных автоэмиттеров. Из таблицы следует, что в случае, когда радиус микровыступа превосходил 9 нм способ не обеспечивал достижение локализации эмиссии (количество атомов в комплексе составляло порядка 102). В то же время при радиусах нановыступа менее 9 нм наблюдается полная воспроизводимость способа: в каждом эксперименте сформировывались эмиттирующие комплексы атомных размеров. При использовании способа изготовления эмиттера с локализованной эмиссией с помощью ионного травления [2] среднее время необходимое для изготовления эмиттера с размерами эмиттирующего комплекса, близкими к моноатомному, составляет порядка 10 часов. Источники информации 1. Патент США № 3.374.386, кл. 313-346, опубл. 1968. 2. Biegelsen D.K., Ponce F.A., Tramontana J.S. Appl. Phys. Lett. 1989. 54. Р. 1223. 3. Fink H.W. IBM J. Res. Develop. 1986. 30. Р. 460. 2 28387 Таблица № пп 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Радиус кривизны микровыступа (нм) 6,5 8,0 8,5 9,5 10 11 15 8,0 8,0 (прототип Р=2´10-7 Па, t=3 часов) 11 (прототип Р=4´10-5 Па, t=0,5 часов) 12 Количество атомов на рабочем участке эмиттера (шт.) 3 2 4 ~50 ~70 ~90 ~100 разрушение ~80 3 эмиттирующий комплекс не формируется Напряженность поля (1010 В/м) 5,5 5,9 5,7 5,7 5,7 5,6 5,8 6,0 5,4 (аналог [2], текстура [111], бомбардировка аргоном, t=8 часов) 1 Фиг. 1 Фиг. 2 3 28387 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 4