Lauko indukuota kristalinės į amorfinę fazių transformacija ant si nano-viršūnės ir labai patikimų si nano katodų pasiekimas | mokslinės ataskaitos

Lauko indukuota kristalinės į amorfinę fazių transformacija ant si nano-viršūnės ir labai patikimų si nano katodų pasiekimas | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Elektroniniai ir spintroniniai įtaisai
  • Elektroniniai prietaisai
  • Elektroninės savybės ir medžiagos

Anotacija

Nano masto vakuuminiai kanalų tranzistoriai pasižymi didesnio ribinio dažnio ir didesnės stiprinimo galios pranašumais, palyginti su įprastais kietojo kūno tranzistoriais. Katodų patikimumo pagerėjimas yra vienas didžiausių iššūkių norint gauti aukštos kokybės vakuumo kanalo tranzistorius. Mes pateikiame eksperimentinius duomenis ir fizinę įžvalgą lauke, kurią sukėlė kristalinės į amorfinės fazės transformacijos Si nanokatodo paviršiuje. Kristalinis Si galo viršus deformuotas į amorfinę struktūrą esant mažam makroskopiniam laukui (0, 6–1, 65 V / nm), esant ypač mažai emisijos srovei (1–10 pA). Pirmasis principas rodo, kad stipri elektrostatinė jėga, veikianti elektronus paviršinėse grotelėse, atsižvelgia į lauko sukeltą atominę migraciją, kuri sukelia amorfizaciją. Si paviršiaus grotelėse esantis arseno-dopantas padidintų vidinį įtempį, taip pat elektronų tankį, sukeldamas mažesnį amorfizacijos lauką. Labai patikimi Si-nano-katodai buvo gauti naudojant deimanto pavidalo anglies dangą, siekiant padidinti elektronų emisiją ir taip sumažinti paviršiaus krūvio kaupimąsi. Išvados yra nepaprastai svarbios kuriant labai patikimus Si pagrindu pagamintus nano masto vakuuminius kanalų tranzistorius ir turi reikšmės būsimiems siauro atskyrimo Si nanoelektroniniams prietaisams.

Įvadas

Nano masto vakuuminiai kanalų tranzistoriai, priklausomi nuo balistinių elektronų pernešimo vakuume, yra palankūs įvairiems potencialiems pritaikymams, ty jutikliams, ypač greitaeigiams tranzistoriams ir THz stiprintuvams 1, 2, 3, 4, 5 . Vakuuminiai kanalų tranzistoriai laikomi perspektyvia tradicinių kietojo kūno lauko tranzistorių alternatyva, suteikiančia naują užuominą apie aukštą dažnį, mažą energijos nuostolį, atsparumą temperatūrai ir radiacijai 6, 7 . Jau atlikti intensyvūs vakuuminių kanalų tranzistorių gamybos ir apibūdinimo tyrimai, kurie buvo atlikti naudojant nanodalelio lauko elektronų emisijos katodus 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 . Buvo ištirtas prietaiso veikimas, įskaitant išmetamųjų srovės-įtampos charakteristikas, išmetimo srovės stabilumą ir dažnio atsaką. Nors buvo padaryta reikšminga pažanga, vis dar neišspręstos problemos, susijusios su įrenginių integracija ir tobulinimu per visą jų eksploatavimo laiką, vienodumą ir patikimumą.

Tiksliau tariant, nanodalelių vakuuminio kanalo tranzistorius turi siaurą vakuumo kanalą, esantį ore esančių elektronų laisvojo kelio ilgį (nuo 10 iki 100 nm 1 ). Kanale rodomas didelis elektrinis laukas. Teoriškai ir eksperimentuojant buvo ištirta keletas reiškinių, susijusių su didelio lauko poveikiu puslaidininkiui 10 ir metalo paviršiui 11, 12 . PG Muzykovas ir bendradarbiai 11 nustatė, kad metalo jonų išgarinimas elektrodo lauke nuo elektrodo paviršiaus galėtų paskatinti vakuuminio tarpo suskaidymą. Y. Tomoda ir kt. 12 parodė, kad nikelio nano spragos atskyrimas sumažėtų dėl lauko emisijos sukeltos elektromigracijos. Tačiau puslaidininkinio katodo, veikiančio ypač aukštą elektrinį lauką, dramatiškų pokyčių, ypač kai intriguojanti jų kristalinės į amorfinės fazės transformacijos stebėsena, yra mažai.

Atsižvelgiant į gerai suprantamą elektroninę savybę ir galimybę integruoti į įvairias monolitines grandines, Si nanostruktūros buvo plačiai pristatytos gaminant nanodalelių vakuuminių kanalų tranzistorius 2, 3, 6 . Labai mažiau dėmesio atominių mastelių medžiagoms buvo skirta vakuuminio nanokanalo patikimumui, ypač katodo patikimumui, esant dideliam elektriniam laukui. Šiame darbe mes aprašome Si nanoemoterių lauko indukuotą kristalinės į amorfinę fazių virsmą. Fizinis mechanizmas buvo pasiūlytas atsižvelgiant į stiprią elektrostatinę jėgą elektronams, susikaupusiems aukšto skiediklio tankio paviršiuje, kuris pagrįstas pirmojo principo skaičiavimais su tankio funkcine teorija (DFT). Be to, sistemingi lauko emisijos matavimai buvo atlikti atskirais DLC dengtais antgaliais, kurie patvirtina, kad sumažėja krūvio kaupimasis Si viršūnės paviršiuje. Tai yra pagirtinas sprendimas „sustiprinti“ paviršiaus kristalines struktūras ir pasiekti labai patikimus Si nano-kahtodus. . Išvados yra nepaprastai svarbios kuriant labai patikimus Si pagrindu pagamintus nano masto vakuuminius kanalų tranzistorius ir gali turėti reikšmės būsimam Si nanoelektroniniam įtaisui su siauru atskyrimu.

Rezultatai ir DISKUSIJA

1 (a) - (e) paveiksluose pavaizduoti tipiniai nuskaityto elektroninio mikroskopijos (SEM) deformuoto atskiro Si nano galiuko viršūnės paeiliui padidėjus pritaikytam elektriniam laukui. Bandymas buvo atliktas 500 nm atstumu nuo katodo iki anodo. Iš pradžių Si galiukai buvo vienodo profilio, 1, 0 μm aukščio, o smailių viršūnės buvo 2 ~ 5 nm spinduliu (žr. Papildomą S1 pav. (A) internete). Nustatyta, kad viršūnė pradėjo deformuotis esant mažam makroskopiniam elektriniam laukui - 0, 6 V / nm, esant ypač mažai emisijos srovei - 1 pA. Viršūnė pakeitė savo galiuko formą į nano, ūsus primenančią struktūrą. Ankstyvajame bandymo etape nano-ūsas ilgėjo (1 pav. (B)). Vėliau nano-ūso išvaizda pasikeitė į medį primenančią struktūrą. Šluotelės ilgis vis tiek augs, jei padidės pritaikytas laukas (1 pav. (C) - (e)) kartu su didesne išmetamųjų teršalų srove. Dydžio viršūnės deformacija yra tipiškas reiškinys, pastebėtas iš visų 8 išbandytų nano galiukų. 1 pav. (F) tipinis perdavimo elektronų mikroskopas (TEM) ir viršūnės pasirinktos srities elektronų difrakcijos (SAED) atvaizdai rodo, kad ūsas yra amorfinėje būsenoje. Palyginti su originalia Si nanopunkste (natūralaus oksido sluoksnio storis yra ~ 1 nm, žr. Papildomą S1 pav. (A) internete), paviršinio amorfinio sluoksnio storis ant šoninės sienelės žymiai padidėja ( ty , ~ 40 nm, žr. papildomą S2 pav. (a ir b) internete). Neįmanoma rasti aiškios ribos, nurodančios, kur prasideda amorfinis regionas. Rezultatai rodo, kad amorfizacija vyksta visame antgalio paviršiuje. Kaip galiukas negali visiškai išvengti oksidacijos 10–4 Pa vakuume, kaip nurodyta energiją sklaidančiuose rentgeno spektruose (EDX; įdėklas 1 pav. (F)), deguonies kiekis buvo aptiktas labai mažai. nano ūsas ar šoninė sienelė. C, O ir Si atominis santykis nano-plaktuve paprastai yra 1: 2: 73. Šie įrodymai įrodo, kad nano-ūsų struktūrą Si nano viršūnėje daugiausia sudaro amorfinis Si, bet ne SiO 2 . 1 pav. (H) yra tipiškas Si galo Si formos vaizdas, parodantis, kad vidinė šerdis vis dar yra gerai kristalinė. Tiek TEM, tiek SAED rezultatai rodo, kad kristalinės į amorfinės fazės transformacija įvyko vietoje Si viršūnės paviršiaus. Be to, EDX analizė (žr. Papildomą S3 pav. Internete) rodo, kad ant anodo galiuko viršūnės yra Si pėdsakų (atitinkamai 6, 77% ir 14, 71% svorio ir atomų santykis). Rezultatas rodo, kad kai kurie Si atomai nusės ant anodo. 1 pav. (I) aiškiai nurodoma, kad antgalio galios lauko skleidžiama srovė ir elektrinio lauko (IE) charakteristikos yra nevienodos. Paprastai gedimo įvykiai paprastai būna, jei elektrinis laukas viršija 0, 9–1, 0 V / nm esant kelių nanoamperų emisijos srovei. Toliau pakeitėme katodo ir anodo atskyrimą, kad pamatytume, ar deformacija vis dar vyksta. Atskyrus 50 nm katodą nuo anodo, deformavus katodą (išaugusį ūsą), kontaktas su katodu ir anodu gali atsirasti. Keičiant katodo ir anodo atskyrimą iki 100 nm, iš visų trijų tirtų galiukų buvo pastebėta aiški deformacija (1 pav. (J) - (m)). Rezultatai rodo, kad deformacijos mechanizmas vis dar naudojamas matuojant siauresnį katodo ir anodo atskyrimą.

Image

(a) ~ (e) Tipiški SEM vaizdai, iliustruojantys deformuotą atskirą Si galiuko emiterį iš eilės padidinus pritaikytą lauką. Katodo ir anodo skirtumas yra 500 nm. f) tipiškas Si nano viršūnės TEM vaizdas, kuriame viršuje yra ūsas; intarpas yra atitinkamas smailės EDX spektras. g) tipinis nano-ūso vaizdas SAED. h) tipiškas didžiosios Si galiuko dalies SAED vaizdas. i) Atskirų antgalių tipinės lauko spinduliuotės IE charakteristikos atliekant 500 nm katodo ir anodo atskyrimo bandymus. Įdėklas yra atitinkami FN brėžiniai. (j) ~ (l) Tipiški SEM vaizdai, kuriuose pavaizduotas deformuotas Si galas iš eilės padidėjus pritaikytam laukui. Katodo ir anodo skirtumas yra 100 nm. m) Tipinės lauko skleidžiamos IE charakteristikos ir atitinkami FN brėžiniai iš trijų ištirtų patarimų, atliekant 100 nm katodo-anodo atskyrimo bandymus.

Visas dydis

Remiantis ankstesne literatūra 13, 14, jonų bombardavimas yra pagrindinis rūpestis, kai lauko spinduliuotės įtaisai veikia santykinai žemesniame vakuumo lygyje ( ty 10–4 Pa). Jonų bombardavimas paprastai sukelia eterio viršūnės eroziją ir galiausiai katodo sugedimą 14 . Tačiau mūsų eksperimente pastebėtas lauko indukuotas nano-ūso (net iki ~ 1, 0 μm ilgio) (1 pav. (E)) ir labai lygaus šoninio paviršiaus (1 pav. F) augimas. . Tai skiriasi nuo įprasto jonų bombardavimo reiškinio. Be to, jonų bombardavimo reiškinį paprastai lydi elektrostatinė iškrova 15 . Tačiau mūsų stebėjimais viršūnė pradėjo deformuotis esant mažam makroskopiniam elektriniam laukui - ~ 0, 6 V / nm, esant ypač mažai emisijos srovei - 1 pA. Nebuvo užfiksuota jokių išmetamųjų teršalų pokyčių. Taigi laikomės idėjos, kad vakuumo sąlyga padarytų mažiau reikšmingą poveikį mūsų išvadoms.

Be to, smailiausio viršūnės deformaciją gali sukelti arba lauko sukeliamas 16, 17, 18, arba specifinių atomų elektromigracija 11, 19, 20, 21, išgarinimas. Mūsų eksperimentuose taikomo elektrinio lauko kryptis buvo priešinga lauko garavimo modelyje 17, 18 . Taigi mes kreipėmės į galimybę, susijusią su elektromigracija. Elektromigracijos modelyje 20, 21 pagrindinis procesas apima atomų judėjimą nuo katodo iki anodo, sukuriant „elektronų vėjo“ impulsą. Elektromigracija yra šiluminio ir elektrinio poveikio masiniam transportui rezultatas. Norint pakilti pakankamai aukštai temperatūrai, reikalinga didelė srovė, kad būtų skatinamas atominis mobilumas. Tačiau mūsų stebėjimuose Si galo deformacija įvyko esant labai mažai emisijos srovei (~ 1 pA). Skaitinis modeliavimas parodė, kad nano viršūnės temperatūra buvo apie 27, 9 ° C, ir tai aiškiai rodo, kad stebėjimuose gali būti atsižvelgiama į mažesnį Džaulio kaitinimo efektą. Tai neatsitiktinai su elektromigracijos modelio „elektronų-vėjų“ teorija.

Norint suprasti šį neįprastą deformacijos reiškinį, buvo atlikti skaitmeniniai modeliavimai, pagrįsti pirmojo principo skaičiavimais, naudojant tankio funkcinę teoriją, įdiegtą DMol 3 . Modeliavime mes apibrėžėme sferoidinį 54 Si atomų modelį, baigtą vandenilio (-H) ir deguonies (-O) atomais (2 pav. (A)). Protinga pateikti H ir O modelyje, nes buvo plačiai pripažinta, kad kristalinio Si 22, 23 paviršiuje yra natūralus oksido sluoksnis ir vandenilio adsorbcija. Modelyje H ir O prisotinimas gali veiksmingai užkirsti kelią Si 54 H 22 O 15 klasterio paviršiaus rekonstravimui, sudarydamas stabilų klasterį. Nustatyta, kad Si 54 H 22 O 15 klasterio deformaciją skatina atomus veikianti elektrostatinė jėga, kuri labai priklauso nuo „Mullikeno krūvių“. „Mullikeno krūviai“ yra apibrėžiami kaip elektronų debesies pasiskirstymas aplink konkrečius atomus 24 . Aukšto tankio krūvis kaupiasi viršutiniuose Si 54 H 22 O 15 klasterio atomuose veikiant elektriniam laukui. Tai lemia stipresnę elektrostatinę jėgą, veikiančią šiuos susikaupusius krūvius, todėl pasiskirsto elektronų debesis aplink kovalentinę Si-Si jungtį. Kaip parodyta 2 pav. (B), Si-Si jungties ilgis pailgėja didėjant elektriniam laukui (taip pat žiūrėkite filmo failą Papildomos informacijos internete). Mes apibrėžiame kritinį lauką ( E Crit ), kad deformacija būtų elektrinis laukas, reikalingas tam, kad viršutiniai atomai būtų skatinami nukrypti nuo artimiausio kaimyno du kartus atstumu nuo pradinio atskyrimo atstumo (2 pav. (C)). Simuliuojamas Si 54 H 22 O 15 klasterio E kritis yra 30 V / nm, o esant tokiam dideliam elektriniam laukui klasterio struktūra tampa netvarkinga.

Image

a) sferoidinis atominis modelis su 54 Si atomais, baigtais vandenilio (-H) ir deguonies (-O) atomais. (b) Si 54 H 22 O 15, esant 6 V / nm, parodytas pailgos Si-Si jungties ilgis. c) Deformuota Si 54 H 22 O 15 sankaupa esant kritiniam 30 V / nm laukui.

Visas dydis

Nors modeliavimas buvo grindžiamas Si 54 H 22 O 15 klasteriu, rezultatai rodo, kad vietinis krūvio kaupimasis Si viršūnės paviršiuje turi didelę įtaką smailės viršūnės amorfizacijai. Šiame darbe buvo gauta ypač maža išmetimo srovė, kai nano viršūnė pradėjo deformuotis. Buvo pasiūlyta, kad į vakuumą galėtų išsiskirti mažiau elektronų, o antgalio paviršiuje kauptųsi didelio tankio elektronai. Taip yra dėl santykinai aukšto Si elektronų afiniteto ( ty 4, 1 eV). Paviršiaus grotelės veikė stiprią elektrostatinę jėgą, sukeldamos elektronų debesies persiskirstymą aplink kovalentinius Si-Si ryšius. Šių Si-Si jungčių kaulų ilgis paviršinėse grotelėse buvo pailgas. Tai leistų susilpninti Si-Si ryšius ir sukelti kristalinės į amorfinę fazės virsmą. Susikaupę elektronai buvo išdėstyti lauko skverbiamame paviršiaus sluoksnyje. Todėl fazės virsmas apsiribojo paviršiumi (1 pav. (F)). Be to, paviršinės gardelės įtempimas paprastai palengvins amorfizaciją. Kristalinės iki amorfinės fazės transformacijos sluoksnyje atomai buvo neigiamai įkrauti dėl lokaliai didelio tankio krūvio kaupimosi. Elektronai sąveikautų su teigiamai įkrautu branduoliu ir linkę „traukti“ branduolį judėti priešinga elektrinio lauko kryptimi. Dėl to Si nano-viršūnės kristalinės iki amorfinės fazės virsmo sluoksnio atomai migravo priešinga elektrinio lauko kryptimi, sukeldami amorfinę nano-ūsui panašią struktūrą nano-viršūnėje.

Aukščiau pateiktos diskusijos pateikia fenomenologinį modelį, leidžiantį kokybiškai paaiškinti amorfinės nanosiskai panašios struktūros susidarymą Si galiuko viršūnėje matuojant lauką. Verta paminėti, kad apskaičiuotasis kritinis laukas (30 V / nm) deformacijai yra gana didelis, o eksperimentinis stebėjimas įvyko santykinai mažesniame lauke (0, 6 V / nm). Taigi reikėtų apsvarstyti daugiau fizinių įžvalgų. Įprastoje Si galo gamybos procedūroje sutariama, kad šiluminė oksidacija yra esminis žingsnis, kuris gali ne tik pagaląsti galą, bet ir pasiekti geometrinį tolygumą 25, 26, 27, nors buvo ištirta, kad šiluminis atkaitinimas sukeltų a dopantų persiskirstymas Si nanostruktūroje 28, 29, savybių pokyčių reikšmė po nanokatodo pagaminimo nebuvo aiškiai atskleista.

Mes panaudojome elektronų energijos nuostolių spektroskopiją (EELS), norėdami ištirti arseno dopanto koncentraciją smailės viršūnėje. Arseno ir Si atomo santykis buvo apskaičiuotas pagal As-L 2, 3 ir Si K briaunas, nurodytas EELS spektruose (3 pav. (A)), naudojant Si tūrio tankį 5 × 10 22 cm –3 30., 31 . Tipinis arseno ir Si atomo santykis yra ~ 1: 16, 45 kartus didesnis nei pirminio Si substrato ( ty ~ 1: 714). Mes atsižvelgėme į terminio galandimo procesą, kai paviršiuje kaupėsi arseno dopantas. Modeliavimas pagal Ficko dėsnį buvo atliktas naudojant lygiagretį trapecijos formos dvimatį modelį. 3 pav. B pateikiami tipiniai modeliavimo rezultatai esant 1000 ° C. Kreivėje nurodytos arseno koncentracijos yra vidutinė vertė 20 nm 2 plote Si viršūnės viršūnėje. Arseno koncentracija didėja netiesiškai nuo pirminės vertės 7, 00 × 10 19 cm – 3 iki ~ 1, 75 x 10 20 cm – 3, didėjant oksidacijos trukmei. 3 pav. (B) įdėklas parodo tipišką pagalbinių medžiagų pasiskirstymą antgalyje su septynių valandų oksidacija. Pagalbinis tirpalas pasiskirsto netolygiai nuo paviršiaus iki paviršiaus. Ir eksperimentai, ir skaitiniai modeliavimai rodo, kad arseno šlavikliai iš oksido buvo ištraukti ir šiluminės oksidacijos metu pasklidę į Si nano-viršūnės paviršių, sudarydami arseno turtingą viršūnę.

Image

a) Tipinis viršūnės EELS spektras. Įdėklas yra atitinkamas fone pašalintas EELS spektras. b) Imituojamos arseno koncentracijos skirtingo ilgio oksidacijos galiuko smailėje. Įdėkle parodytas tipiškas pagalbinių medžiagų pasiskirstymas antgalyje su septynių valandų oksidacija. c) kreivė, rodanti, kad E kritis keičiasi atsižvelgiant į arseno skiediklio kiekį. Įdėklai yra atitinkami modeliuotų Si 52 grupių klasteriai.

Visas dydis

Dėl termiškai sukeltos arseno skiediklio difuzijos Si gardelėje susidarytų didelė defektų ir laisvų vietų koncentracija. Didelės koncentracijos trūkumas ir laisva vieta yra labai svarbūs atomų migracijai tinklelyje 20 . Lauko sukeltos paviršinės gardelių amorfizacijos Si nano-viršūnėje metu apima neigiamai įkrautų atomų judėjimą. Paviršiaus kristalinės į amorfinės fazės transformacijos sluoksnio atomai (atominis srautas J a ) migruoja priešinga elektrinio lauko kryptimi, o santykinai susidariusios laisvos vietos juda lauko kryptimi. Šiam lauko sukeltam amorfizacijos reiškiniui apibūdinti vis dar trūksta subrendusio teorinio modelio. Bet mes galėtume pritaikyti tradicinį atominio migracijos modelį metalo paviršiaus elektromigracijoje 20, 21, 32 ir atlikti keletą pakeitimų, norėdami ištirti sprendimą, kaip teoriškai suprasti lauko sukeltą amorfizacijos reiškinį mūsų stebėjimuose. J a gali būti nustatomas pagal šią formulę:

Image

kur C a yra Si atominė koncentracija, D a yra Si atomo savaiminės difuzijos koeficientas, | e | yra absoliučioji pradinio krūvio vertė, E reiškia taikomą elektrinį lauką. k yra Boltzmanno konstanta, o T yra temperatūra Kelvino laipsniais. μ yra atominės difuzijos cheminė potencialo funkcija, susijusi su skirtumu tarp atomo ( μa ) ir laisvos vietos ( μv ), ty

Image

. Tradiciškai atominės migracijos elektromigracijos modelyje efektyvusis krūvio skaičius Z * yra koreliuojamas su laisvu elektronų srautu metaluose 20, 21, 32 . Tačiau mūsų pastebėjimais laisvas elektronų srautas Si nanokatode yra nepakankamas dėl ypač mažos emisijos srovės, o ypač aukšta elektrostatinė jėga, veikianti labai tankio neigiamai įkrautus atomus Si viršūnės paviršiuje, yra dominuojantis veiksnys. atlikti atomo migraciją. Todėl Z * turėtų būti apibrėžta nauja reikšme kaip efektyviojo atomų įkrovos skaičiaus funkcija. Z * asocijuojasi su atomine koncentracija ir elektriniu lauku skirtingose ​​antgalio paviršiaus grotelių vietose.

Toliau bus pristatytos diskusijos, siekiant išaiškinti kiekvieno lygtyje esančių kiekių poveikį. Pirma, jei laisvos vietos yra šiluminėje pusiausvyroje μ v = 0, cheminės potencialo funkcija μ galėtų būti nustatyta pagal vidinį grotelių įtempį. (1) lygtyje - cheminio potencialo gradientas

Image

padidėtų didėjant vidiniam grotelių įtempiui. Vidinio įtempio σ ir dopanto difuzijos sukeltą defektą bei laisvą vietą santykis gali būti išreikštas 32 .

Image

kur C yra pagalbinių medžiagų koncentracijos funkcija. B yra taikytinas Si modulis, kurį būtų galima traktuoti kaip pastovią vertę ( ty , 130 GPa 33 ). Didesnis arseno antgalio paviršius padidins vidinį grotelių įtempį. Atitinkamai, būtų santykinis aukštesnis

Image

taigi didesnis Si atominis srautas J a konkrečiame taikomame lauke. Antra, dėl to, kad arseno atomas yra Si donoro centras, arseno atomo padidinimas padidins Si atomų „Mullikeno krūvius“ veikiant elektriniam laukui. Būtent padidėja efektyviojo krūvio skaičius Z * , sukeldamas stipresnę elektrostatinę jėgą ir taip sukeldamas didesnį Si atomo srautą. Galiausiai, dėl arseno dopanto kaupimosi, tiek vietinė atominė koncentracija Ca, tiek efektyvusis krūvio skaičius Z * nėra konstantos. Tiek C a , tiek Z * gali pasiekti kraštutines vertes viršūnės gale. Remiantis aukščiau aprašytomis diskusijomis, visas poveikis, atsirandantis dėl šiluminės indukcijos sukelto arseno kaupimosi Si galiuko paviršiuje, gali sukelti didesnį atominį srautą. Tai neabejotinai gali sukelti mažesnį elektrinį lauką, sukeliantį kristalinės į amorfinę fazės virsmą.

Siūlomo modelio patikrinimui atlikti papildomi skaičiavimai, pagrįsti pirmojo principo skaičiavimais. Kaip parodyta 3 pav. (C), mes apibūdiname 52 Si atomų (Si 52 ) su skirtingu arseno atomų kiekiu formos galiuką. Pirminio Si 52 klasterio modeliuotasis E Crit yra 0, 1010 V / nm, o pridėjus arseno atomus, jis netiesiškai sumažėja nuo 0, 110 V / nm iki 0, 063 V / nm. Modeliavimo rezultatai gerai tinka modeliui. Dar svarbiau, kad modelis numato, kad Si nanoelektroniniuose prietaisuose su nanodalelėmis, ypač taikant dideles dopantų koncentracijos Si nanostruktūras, tokia su krūvio kaupimu susijusi deformacija būtų esminė problema.

Remiantis aukščiau aprašyta diskusija, norint substratu naudoti silpnai išmirkytą Si plokštelę, pakeisti pagalbinių medžiagų tipą (P tipo: boro arba aliuminio) arba sukurti procesą be oksidacijos, siekiant užkirsti kelią Si nano deformacijai. -katodas. Tačiau jie gali sukelti aukšto atsparumo, prisotinimo efekto 27 ir nevienodo galiuko profilio, kurio paviršius yra palyginti šiurkštus, trūkumus. Norint sumažinti deformaciją, gali būti naudinga sumažinti deformaciją. Šiuo tikslu buvo naudojama deimantinė anglis (DLC, 3 nm storio). DLC ne tik turi mažą paviršiaus afinitetą didinti lauko elektronų emisiją, bet ir turi daug stipresnį CC ryšį (85 kcal / mol) nei Si-Si (54 kcal / mol) 34 . 4 (a) paveiksle pavaizduotos tipinės lauko išmetamųjų teršalų IE kreivės ir atitinkami Fowler – Nordheim (FN) brėžiniai iš 8 DLC dengtų antgalių. Išsamiame lauko spinduliuotės IE kreivių vaizde, pateiktame 4 pav. (A), kiekviename DLC dengtu antgaliu santykinė lagerio išmetimo srovė gali būti iki 15, 0 nA, parodant akivaizdžiai geresnį išmetamųjų teršalų kiekį nei nepadengtuose. Verta paminėti, kad kai kurie padengti antgaliai netgi gali skleisti nepaprastas išmetamųjų teršalų sroves ( ty , iki ~ 128, 8 nA). Dar svarbiau, kad visų tirtų patarimų morfologiniai pokyčiai nebuvo pastebėti (4 pav. (C)).

Image

a) Tipinės lauko emisijos IE kreivės iš 8 DLC dengtų Si galiukų. Įdėklas yra detalus lauko spinduliuotės IE kreivių vaizdas. b) Atitinkami 8 DLC dengto Si galiukų FN grafikai. (c) ~ (d) Tipinis SEM vaizduoja DLC dengto Si viršūnę atliekant išmetamųjų teršalų bandymus. e) Si nano viršūnės su DLC danga energijos juostos schema.

Visas dydis

Didėjančią DLC dangos skleidžiamą emisiją daugiausia lemia elektronų „kvazikaudulinis tuneliavimas“ per ypač ploną (3 nm) DLC plėvelę 35 . Tai sumažintų krūvio kaupimąsi ir elektrostatinę jėgą paviršinėje grotelėje. Tuo tarpu DLC plėvelė su stipresne CC jungtimi gali užkirsti kelią paviršiaus atomų migracijai. Abu šie efektai gali „sustiprinti“ Si galo grotelių struktūrą. Dar svarbiau yra tai, kad dopantų kaupimasis viršūnėje yra tvirtas įrodymas, praturtinantis „beveik tunelingo“ modelį. Remiantis šio darbo išvadomis, arseno dopanto koncentracija palaipsniui didinama nuo „tūrio“ iki Si viršūnės paviršiaus. Si ir DLC juostų tarpas yra atitinkamai ~ 1, 2 eV ir ~ 1, 55 eV, atitinkamai 26 . Si / DLC sąsajoje suformuojamas Schottky barjeras, kurio baigtinis aukštis yra 0, 9 eV (4 pav. (E)). Dėl susikaupusio didelio tankio arseno dopanto Si / DLC sąsaja tampa išsigimusiu puslaidininku. Tai sukeltų į metalą panašų sluoksnį. Fermi Si lygis metalo pavidalo sluoksnyje pamažu juda aukštyn, arti jo laidumo juostos dugno. Atsižvelgiant į tai, galimas barjeras tarp Si Fermi lygio (E F ) ir DLC laidumo juostos Si / DLC sąsajoje yra artimas 0, 9 eV, net galbūt mažesnis už šį barjerą. Galima žymiai padidinti elektronų tuneliavimo efektyvumą nuo Si iki DLC, užtikrinant efektyvią emisiją. Nors dopanto kaupimasis sukels mažesnę lauko deformaciją dėl oksidacijos paaštrėjusių Si galiukų, jis sukuria daug mažesnį Si / DLC sąsajos barjerą, kad padidintų emisiją. Ateityje dar reikia daug nuveikti siekiant išsiaiškinti, kaip skiedikliai migruoja esant dideliam dabartiniam lauko išmetamumui ir atitinkamai paveikiant išmetamųjų teršalų savybes (ypač atskirų antgalių išmetamųjų teršalų vienodumą).

Išvados

Kristalinis Si smailės viršūnė buvo deformuota į amorfinę nanosluoksnių pavidalo struktūrą santykinai mažame makroskopiniame lauke su ypač maža emisijos srove. Tiek eksperimentiniai, tiek skaitiniai modeliavimo tyrimai rodo, kad arseno dopanto atomai yra linkę kauptis Si galiuko paviršiuje šiluminio galandimo metu, sudarydami arseno turtingą viršūnę. Tai padidins vidinį įtempį ir lems krūvio kaupimąsi Si paviršiaus grotelėse. Poveikis sumažina Si gardelės kristalinės į amorfinę fazės virsmo lauką, sukeldamas mažo lauko deformaciją. Norint pagerinti Si nanokatodo patikimumą, buvo panaudota DLC plonoji plėvelė, pasinaudojant stipresnių CC ryšių ir sustiprinančio lauko elektronų emisijos pranašumais. Rezultatai įkvepia gyvybiškai įžvalgai aiškinant Si nano-katodo patikimumą, tuo tarpu jie gali būti naudojami kaip esminis būdas gauti labai patikimus nanodalelių vakuuminių kanalų tranzistorius.

Metodai

Si Nano-Tip Cathod gaminimas e

Monokristalinis, stipriai arseno pavidalo legiruotas (~ 10 19 / cm 3 ; 0, 005 Ω cm) Si substratas buvo apgalvotai naudojamas katodo su nano galiuku gamybai. Sunkiojo legiruoto Si naudojimo pranašumas yra šulinio laidumo panaudojimas, o tai naudinga lauko elektronų emisijai. Si nano galiuko matricos buvo pagamintos pagal gerai išplėtotą procedūrą „iš viršaus į apačią“ 26, 35 . Taškinio (1 μm skersmens) modelio AR-N 7520 pasipriešinimui nustatyti buvo naudojama elektronų pluošto litografija. Šablonai buvo perkelti į SiO2 (450 nm storio) ir po jų seka anizotropinis ėsdinimas, naudojant induktyviai sujungtą plazmos ėsdinimo sistemą (ICP, OXFORD Plasmalab), naudojant SF 6 pagrindu sukurtą ėsdiklį. Patarimai buvo paaštrinti terminio oksidavimo būdu (7 val. 1000 ° C), o po to oksidas pašalintas, naudojant vandenilio fluorido rūgštį. Tipo aukštis paprastai yra 1 μm, o atstumas tarp gretimų galiukų yra 6, 0 μm. DLC plonoji plėvelė buvo nusodinta ant Si galiuko paviršiaus, naudojant filtruotą katodinę vakuuminio lanko nusodinimo sistemą 26, 35, 36 . DLC optinės juostos tarpas yra ~ 1, 55 eV 26 . SpLC plonos DLC plėvelės kiekis yra ~ 80% 36 . Taip pat buvo išmatuotas plėvelių laidumas kambario temperatūroje ~ 4 × 10 –8 (Ω cm) –1 35 .

Morfologijos ir struktūros tyrimai

Patarimų morfologija, struktūra ir elementinė sudėtis ištirta skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM, Zeiss SUPRA 55), perdavimo elektronų mikroskopu (HRTEM, JEM-2010HR, 200 kV) ir elektronų energijos nuostolių spektroskopija (EELS). atitinkamai su aberacijomis pataisytas nuskaitymo perdavimo elektroninis mikroskopas (STEM, FEI Tecnai F30, 300 kV). NEM-ūso cheminei sudėčiai analizuoti buvo naudojama SEM įrengta atrankinio energijos sklaidos rentgeno spindulių spektroskopija (EDX).

Lauko išmetamųjų teršalų bandymas

Atskirų antgalių lauko elektronų emisijos matavimai buvo atlikti kambario temperatūroje SEM sistemoje (~ 1, 0 × 10 –4 Pa) su pjezo varomu nanomotoru (Klocke Nanotechnik). Smulkus volframo antgalis buvo pritvirtintas ant nanomotoriaus ir buvo naudojamas kaip anodo zondas bandymams (žr. Papildomą S1 pav. (B) internete). Norėdami ištirti Si nanodalelių katodų spinduliuotės savybes, mikroprobas buvo perkeltas į tą pačią židinio plokštumą su viršūnės viršūne. Atstumas tarp anodo zondo ir Si nano-katodo buvo 50, 100 ir 500 nm. Keithley 6487 piko matuoklis buvo naudojamas įstrižinei įtampai įregistruoti ir lauko emisijos srovei užregistruoti. Įtampa įtampa buvo padidinta rankiniu būdu 0, 10 V / s greičiu. Matavimo metu SEM elektronų pluoštas buvo išjungtas.

Tankio funkcinės teorijos (DFT) skaičiavimas

Pirmieji pagrindiniai skaičiavimai, pagrįsti DFT, buvo atlikti siekiant suprasti Si klasterių lauko išgarinimą naudojant DMol 3 kodą 37, 38 . Apsikeitimo koreliacijos funkcija buvo įvertinta naudojant Perdew-Wang (PWC) vietinį funkcinį apytikslį (LDA) 39 . Atliekant visus skaičiavimus buvo atsižvelgta į potencialą su visu elektronu. Elektroninio konvergencijos tolerancija nuoseklaus lauko (SCF) skaičiavimams buvo nustatyta 10–6 eV. Konstrukcijos buvo optimizuotos tol, kol visa energija susilygino žemiau 2, 0 × 10 –5 Ha, o jėga atomams susilygino žemiau 1, 0 × 10 –2 eV / Å. Modeliavime apibrėžėme sferoidinius atomų modelius 54 Si atomams, pasibaigusiems vandeniliu (-H) ir deguonimi (-O). H ir O prisotinimas galėtų veiksmingai užkirsti kelią Si 54 H 22 O 15 klasterio paviršiaus rekonstrukcijai, todėl klasterio struktūra būtų stabilesnė. Be to, dar buvo apibrėžtas kitas 52 Si atomų (Si 52 ) tipų formos gaubtas, turintis skirtingą arseno atomų kiekį, siekiant imituoti arseno dopanto koncentracijos poveikį iškreiptam klasterio laukui. Imitacijose klasteris buvo įžemintas ir nukreiptas į elektrinį lauką.

Temperatūros modeliavimas Si nano-viršūnėje

Temperatūros modeliavimas Si viršūnės viršūnėje buvo atliktas naudojant komercinės programinės įrangos paketą COMSOL Multiphysics su 3D ašimetriniu modeliu. Modelio „galas“ yra 1, 0 μm aukščio, o smailės viršūnė yra 5, 0 nm spinduliu. Pradinė antgalio temperatūra buvo nustatyta į vienodą kambario temperatūros vertę (300, 15 K). Tinkama šilumos laidumo vertė ( ty 50 W / m K) buvo pasirinkta remiantis Nr. 40 which is consistent with the size effect of the Si nanostructure in the experiment. Different value of emission current was set from 0.00 pA to 100.00 nA to calculate the temperature at the nano-apex of the “tip”.

Simulations of the Arsenic Dopant Distribution

The simulations of the arsenic atom diffusion based on Fick's law were performed by a “SILVACO 11 ATLAS” software. An isosceles trapezoid two-dimension model was established for simulating a “tip”. In the model, the isosceles trapezoid solution domain is 1.0 μm in height, and with 50 nm and 1200 nm top and bottom edges, respectively. The primary concentration of arsenic dopant was set to a uniform value of 7.00 × 10 19 cm −3 . The segregation coefficient of arsenic atoms at the Si/SiO 2 interface is 10 28 . Different value of oxidation time was set from 0 hour to 7 hour to calculate arsenic dopant concentration in the nano-apex of the “tip”.

Papildoma informacija

How to cite this article : Huang, Y. et al . Field-Induced Crystalline-to-Amorphous Phase Transformation on the Si Nano-Apex and the Achieving of Highly Reliable Si Nano-Cathodes. Mokslas. Rep. 5, 10631; doi: 10.1038/srep10631 (2015).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Suplementary Information

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    Papildomas filmas S2

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.