Статья

Название статьи МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В НАНОСТРУКТУРАХ С КАТОДОМ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ГРАФЕНА НА SIC
Автор А.М. Светличный, О.Б. Спиридонов, И.Л. Житяев, Е.Ю. Волков, М.В. Демьяненко
Рубрика РАЗДЕЛ IV. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Месяц, год 02, 2015
Индекс УДК 621.385.21
DOI
Аннотация Рассматриваются вопросы разработки автокатодов нанометровых размеров, применение которых предполагает возможность перехода к наноэлектронике терагерцевого диапазона. Предложена конструкция прямоугольного автоэмиссионного катода. Представлены результаты моделирования распределения электрического поля в межэлектродном промежутке автоэмиссионной ячейки. Моделирование проводилось с использованием программной платформы COMSOL Multiphysics 4.4, в которой решаются системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов, при разности потенциалов между анодом и катодом 4 В. Применялся адаптивный алгоритм построения сетки, позволивший повысить точность математических расчетов за счет увеличения плотности конечных элементов в области сложной геометрии межэлектродного пространства нанометровых размеров. В качестве материала автоэмиссионного катода был выбран карбид кремния с пленкой графена на его поверхности, так как углеродсодержащим материалам свойственны низкие пороговые напряжения начала эмиссии, устойчивость к катодному распылению, высоким температурам и ионизирующему излучению. Исследовано влияние геометрических параметров автоэмиссионной ячейки на эмиссионные характеристики. На основе результатов моделирования и аналитических расчетов получены и проанализированы зависимости величины напряженности электрического поля от межэлектродного расстояния (10–50 нм), толщины (10–200 нм) и высоты катода (50 нм – 2,5 мкм). Напряженность поля (~108 В/м) увеличивается в 2–4 раза при уменьшении ширины катода и межэлектродного расстояния до 10 нм. Построены графики распределения электрического поля по длине автоэмиссионного катода с прямоугольным сечением, из которых выявлено наличие негативных краевых эффектов в виде увеличения значения напряженности электрического поля в 1,5–2 раза.

Скачать в PDF

Ключевые слова Моделирование; автоэмиссионный катод; графен; карбид кремния; напряженность электрического поля.
Библиографический список 1. Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках // Журнал технической физики. – 2001. – Т. 71. – Вып. 11. – С. 89-95.
2. Лупехин С.М., Ибрагимов А.А. Полевая электронная эмиссия катодов из углеродных нитей с наноструктурной эмиссионной поверхностью // Журнал технической физики. – 2011. – Т. 81. – Вып. 6. – С. 109-112.
3. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. – М.: Изд-во МФТИ, 2001. – 288 с.
4. Gao J.H. Zhang L., Zhang B.L. et al. Fabrication of globe-like diamond microcrystalline aggregate films and investigation of their field emission properties // Thin Solid Films. – 2008. – Vol. 516. – P. 7807-7811.
5. Конакова Р.В., Охрименко О.Б., Светличный А.М. и др. Оценка возможности изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе графена // Наноструктурные материалы – 2010: Беларусь – Россия – Украина (НАНО-2010): материалы II Международной научной конференции (Киев, 19-22 октября, 2010). – Киев: Изд-во. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова, 2010. – С. 249.
6. Охрименко О.Б. Конакова Р.В. Светличный А.М и др. Оценка автоэмиссионных свойств наноструктур на основе карбида кремния и графена // Наносистемы. – 2012. – T. 10, № 2. – С. 335-342.
7. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V. et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene // Nature. – 2005. – Vol. 438. – P. 197-200.
8. Chen Zh., Lin Yu-M., Rooks M.J. et al. Graphene Nano-Ribbon Electronics // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. – 2007. – Vol. 40, № 2. – P. 228-232.
9. Lee C. Wei X., Kysar J.W. et al. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene // Science. – 2008. – Vol. 321, № 5887. – P. 385-388.
10. Конакова Р.В., Светличный А.М., Волков Е.Ю. и др. Сравнительные характеристики спектров комбинационного рассеяния света пленок графена на проводящих и полуизолирующих подложках 6H-SiC // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47.
– Вып. 6. – С. 802-804.
11. Сорокин П.Б., Чернозатонский Л.А. Полупроводниковые наноструктуры на основе графена // Успехи физических наук. – 2013. – Т. 183, №2. – С. 113-132.
12. Kaushik V., Shukla A.K., Vankar V.D. Improved electron field emission from metal grafted graphene composites // Carbon. – 2013. – Vol. 62. – P. 337-345.
13. Fursey G.N., Petrick V.I., Novikov D.V. Low-threshold field electron emission from carbon nanoclusters formed upon cold destruction of graphite // Technical Physics. – 2009. – Vol. 54, № 7. – P. 1048-1051.
14. Вартапетов С. Ильичев Э., Набиев Р. и др. Эмиссионная электроника на основе нано-(микро-) структурированных углеродных материалов // Наноиндустрия. – 2009. – № 4. – С. 12-18.
15. Дюжев Н.А. Козлов А.И., Махов В.И. и др. Быстродействие микроэлектронных структур с автоэлектронными катодами // Микроэлектроника. – 1990. – Т. 19. – Вып. 5. – С. 478-485.
16. Елецкий А.В. Механические свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе // Успехи физических наук. – 2007. – Т. 177, № 3. – С. 233-274.
17. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Карачинов Д.В. Эффект самосопряженной перфорации аморфных слоев карбида кремния // Журнал технической физики. – 2004. – Т. 74. – Вып. 12. – С. 96-97.
18. Лебедев А.А. Козловский В.В., Строкан Н.Б. и др. Радиационная стойкость широкозонных полупроводников (на примере карбида кремния) // Физика и техника полупроводников. – 2002. – Т. 36. – Вып. 11. – С. 1354-1359.
19. Житяев И.Л. Влияние конструкции острийных наноразмерных автокатодов на основе пленок графена на карбиде кремния на эмиссионные характеристики // Х Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: тезисы докладов (г. Ростов-на-Дону, 14–29 апреля 2014 г.). – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2014. – С. 138-139.
20. Житяев И.Л., Светличный А.М., Демьяненко М.В. Особенности моделирования автоэмиссионных катодов в форме острия на основе пленок мультиграфена на карбиде кремния // Нанотехнологии в электронике и МЭМС: труды Международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара (г. Таганрог, 20–25 октября 2014 г.). – Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, 2014. – С. 49-50.
21. Mayer A., Lambin Ph. Quantum-mechanical simulations of field emission from carbon nanotubes // Carbon. – 2002. – Vol. 40. – P. 429-436.
22. Wang X.Q., Wang M., Li Z.H. et al. Modeling and calculation of field emission enhancement factor for carbon nanotubes array // Ultramicroscopy. – 2005. – Vol. 102, № 3. – P. 181-187.
23. Wang X.Q., Wang M., Ge H.L. et al. Modeling and simulation for the field emission of carbon nanotubes array // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. – 2005. – Vol. 30, № 1-2. – P. 101-106.
24. Watcharotone S., Ruoff R.S., Read F.H. Possibilities for graphene for field emission: modeling studies using the BEM // Physics procedia. – 2008. – Vol. 1. – P. 71-75.
25. Tong J., Li L., Chu N.J. et al. Optimization for field emission from carbon nanotubes array by Fowler–Nordheim equation // Physica E. – 2008. – Vol. 40. – P. 3166-3169.
26. Le Febre A.J., Abelmann L., Lodder J.C. Field emission at nanometer distances for high-resolution positioning // Journal of Vacuum Science & Technology. – 2008. – Vol. 26. – P. 724-729.
27. Rezeq M. Finite element simulation and analytical analysis for nano field emission sources that terminate with a single atom: A new perspective on nanotips // Applied Surface Science. – 2011. – Vol. 258. – P. 1750-1755.
28. Mamta Khanejaab, Swati Singhb, Santanu Ghosh et al. Modeling Field Emission from Single-Tip Carbon Nanotube in Triode Configuration // International Journal of Green Nanotechnology. – 2013. – Vol. 4. – № 4. – P. 547-552.
29. Навроцкий И.А., Бурцев А.А. Особенности моделирования многоострийных катодов с переменной периодической структурой // Антенны. – 2013. – № 7. – С. 63-65.
30. Лыткин Л.К., Филатов Г.А., Цепилов Г.В. Расчет автоэмиссионных структур с помощью ELCUT // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5. URL: www.science-education.ru/119-15041 (дата обращения: 26.12.2014).
31. Гусинский Г.М., Баранова Л.А., Найденов В.О. Субмикронный источник свободных электронов // Журнал технической физики. – 2015. – Т. 85. – Вып. 3. – С. 129-132.
32. Гуляев Ю.В. Углеродные нанотрубные структуры – новый материал для эмиссионной электроники // Вестник Российской академии наук. – 2003. – Т. 73, № 5. – С. 389-391.
33. Дмитриев А.Н., Музыков П.Г., Тангали С. и др. Исследование процесса автоэмиссии графитизированных слоев на поверхности карбида кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 109-118.
34. Зайцев Н., Горнев Е., Орлов С. и др. Наноалмазографитовые автоэмиттеры для интегральных автоэмиссионных элементов // Наноиндустрия. – 2011. – № 5. – С. 36-39.
35. Liu J., Zeng B., Wang X. et al. Ultra low field electron emission of graphene exfoliated from carbon cloth // Applied Physics Letters. – 2012. – № 101. – P. 153104.
36. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Тимофеев М.А. и др. Ненакаливаемые катоды на основе углеродных наноструктурированных слоистых структур // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2013. – № 4. – С. 31-36.
37. Лейченко А.С., Негров Д.В., Рауфов А.С. и др. Применение автоэмиссионного катода из терморасширенного графита для формирования элемента дисплейной матрицы // ТРУДЫ МФТИ. – 2010. – Т. 2, № 1 (5). – С. 33-36.
38. Nguyen D.D., Lai Yi-T., Tai N.-H. Enhanced field emission properties of a reduced graphene oxide/carbon nanotube hybrid film // Diamond and Related Materials. – 2014. – Vol. 47. – P. 1-6.
39. Chen L., He H., Ya H. et al. Electron field emission characteristics of graphene/carbon nanotubes hybrid field emitter // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 610. – P. 659-664.
40. Deng J.-H., Wang F.-J., Cheng L. et al. Improved field emission of few-layer graphene–carbon nanotube composites by high-temperature processing // Materials Letters. – 2014. – Vol. 124. – P. 15-17.
41. Fursey G.N. Ptitsyn V.E., Krotevich D.N. Spontaneous migration of the surface atoms at maximum current densities of the field-electron emission initiating vacuum breakdown // Proc. 11th ISDETV. – 1984. – Vol. 1. – P. 69-71.
42. Кротевич Д.Н., Птицын В.Е., Фурсей Г.Н. Самопроизвольная перестройка автоэмиссионного катода при предельных плотностях тока // Журнал технической физики. – 1985. – Т. 55, № 3. – С. 625-627.

Comments are closed.