Математическое моделирование полевой электронной эмиссии из систем металл-диэлектрик
Диссертация
К настоящему времени накоплена значительная база знаний, полученных с помощью численного и натурного эксперимента, математического и физического моделирования явлений и процессов, имеющих место на поверхности и в приповерхностной области твердых тел при воздействии на них сильного электрического поля. В результате этого воздействия потенциальный порог на границе твердое тело — вакуум превращается… Читать ещё >
Содержание
- I. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
- 1. 1. Поверхность монокристалла металла
- 1. 1. 1. Общие положения
- 1. 1. 2. Геометрия и плотность упаковки плоских поверхностей
- 1. 1. 3. Моделирование геометрии неплоских поверхностей
- 1. 2. Работа выхода
- 1. 2. 1. Определение понятия
- 1. 2. 2. Модель кристаллографической анизотропии работы выхода
- 1. 3. Полевая электронная эмиссия
- 1. 3. 1. Теория полевой электронной эмиссии
- 1. 3. 2. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов
- 1. 3. 3. Аппроксимация формы эмиттера
- 1. 3. 4. Методы расчета потенциала и напряженности поля
- 1. 4. Эмиссионные системы металл-диэлектрик
- 1. 4. 1. Формирование слоя диэлектрика
- 1. 4. 2. Изменения работы выхода монокристаллической поверхности
- 1. 5. выводы
- 1. 1. Поверхность монокристалла металла
- II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
- 2. 1. Постановка задачи
- 2. 2. Модель геометрии поверхности
- 2. 2. 1. Алгоритм расчета структуры поверхности
- 2. 2. 2. Построение кристаллографических граней вершины эмиттера
- 2. 3. Модель распределения работы выхода по поверхности
- 2. 4. Расчет эмиссионного тока
- 2. 4. 1. Распределение элеюрического поля
- 2. 4. 2. Плотность тока эмиссии и общий эмиссионный ток
- 2. 5. Проверка адекватности модели на основе данных натурного эксперимента
- 2. 5. 1. Волътамперные характеристики
- 2. 5. 2. Эмиссионные изображения
- 2. 5. 3. Площадь эмиссии
- 2. 6. Выводы
- III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ИЗ СИСТЕМ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКРИК
- 3. 1. Модель зависимости эмиссионных характеристик системы от толщины слоя диэлектрика
- 3. 1. 1. Модель в случае монокристаллической поверхности
- 3. 1. 2. Усреднение параметров модели для поликристаллической поверхности эмиттера
- 3. 2. Данные натурного моделирования
- 3. 2. 1. Выбор систем металл-диэлектрик для натурной проверки модели
- 3. 2. 2. Особенности вольтамперных характеристик систем металл-вода
- 3. 3. Модель предпочтительной ориентации диполей диэлектрического слоя
- 3. 4. Выводы
- 3. 1. Модель зависимости эмиссионных характеристик системы от толщины слоя диэлектрика
Список литературы
- Fowler R. H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields // Proc.Roy. Soc. A. 1928. V. 119. P. 173−181.
- Nordheim L. W. The effect of the image force on the emission and reflection of electrons by metals // Proc. Roy. Soc. A. 1928. V. 121. P. 626−630.
- Murphy E. L., Good R. H. Fermionic emission, field emission and transit/on region // Pliys. Rev. B. 1956. V.102. P. 1464−1473.
- Елинсон M. И., Васильев Г. Ф. Автоэлектронная эмиссия. М.: Физматгиз, 1958. 272 с.
- Oostrom A. G. J. van // Philips Res. Rep. Suppl. 1966. № 1. P. 1−162.
- Добрецов Л. H., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.
- Фишер Р., Нойман X. Автоэлектронная эмиссия полупроводников. М.: Наука, 1971.216 с.
- Бродский А. М., Гуревич Ю. Я. Теория электронной эмиссии из металлов. М.: Наука, 1973. 256 с.
- Ненакаливаемые катоды / Под ред. М. И. Елинсона. М.: Советское радио, 1974. 336 с.
- Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. М.: Наука, 1990. 320 с.
- Knor Z. Tunneling in a double-barrier system and its practical implications for field ionization and field emission // Ultramicroscopy. 1999. V. 79. P. 1−10.
- Burden A. P. // International Material Reviews. 2001. V. 46. P. 213−231.
- Temple D. Recent progress in field emitter array development for high performance applications I I Materials Sci. and Engineering. 1999. V. R24. P. 185−239.
- Бинниг Дж., Popep Г. Растровый туннельный микроскоп // В мире науки, 10 (1985), с.26−33.
- Эдельман B.C. Сканирующая туннельная микроскопия. Обзор. // Приборы и техника эксперимента, 5 (1989), с.25−49.
- Эдельман B.C. Развитие сканирующей туннельной микроскопии. // УФН, 161 (1991), № 3, с. 168−171.
- Ciszewski A., Blaszczyszyn R. // Progr. Surf. Sci. 1995. V.48. P. 99.
- Henderson M.A. The interaction of water wit solid surfaces: fundamental aspects revisited. // Surf. Sci. Rep. 2002. V. 46. P. 1−308.
- Biy 1R., Blaszczyszyn R., Galewska E. Interaction of water with clean and gold-precovered tungsten field emitters: adsorption and desorption // Vacuum. 1997. V. 48. P.329.
- Григоренко C.B., Денисов В. П., Егоров H.B., Никифоров К. А., Жуков Д. В. Методика текущего контроля параметров электродов ускорителя // Proceedings of 8-th International Workshop: Beam Dynamics and Optimization 2001. S. Petersburg, 2001, P 13−15.
- Никифоров К.А. Решение уравнения Пуассона с граничным условием на бесконечности // Процессы управления и устойчивость: Труды XXXIII научной конференции факультета ПМ-ПУ. СПб: ЦОП типографии издательства СПбГУ, 2002. С. 224−226.
- Denissov V.P., Nikiforov К. A. Calculation of the electrostatic potential distribution in the near surface region in semiconductor // Abstracts of 9th International Workshop: Beam Dynamics and Optimization 2002. S. -Petersburg, 2002, P. 28
- Денисов В.П., Никифоров K.A. Расчет распределения электростатического потенциала в приповерхностной области полупроводника // Proceedings of 9-th International Workshop: Beam Dynamics and Optimization 2002. S. Petersburg, 2002, P. 94−97.
- Nikiforov K.A. Modeling of electrostatic potential distribution in 3-Iayered emission systems. // Abstracts of 10-th International Workshop: Beam Dynamics and Optimization 2003. Saratov, 2003, P. 27.
- Никифоров K.A. Моделирование кристаллической структуры поверхности металлического катода // Процессы управления и устойчивость: Труды XXXV научной конференции факультета ПМ-ПУ. СПб: ЦОП типографии издательства СПбГУ, 2004. С. 244−247.
- K.A.Nikiforov, Z. Knor, J. Plsek The simulation of catode surface in field emission microscope // Abstracts of 8-th International Computational Accelerator Physics Conference. St.-Petersburg, 2004. P. 160.
- Роберте M., Макки Ч. Химия поверхности раздела металл-газ. М.: Мир, 1981, 539 с.
- Суворов A.JI. Структура и свойства поверхностных атомных слоев металлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 296 с.
- Ранганатан С, Рен Дж. Автоионная микроскопия. М.: Мир, 1971.
- Mackenzie J.K., Moore A.J.W., Nicholas J.F. Bonds broken at atomically flat crystal surfaces -1. //J. Phys. Chem. Solids. 1962. V. 23. P. 185−196.
- Mackenzie J.K., Nicholas J.F. Bonds broken at atomically flat crystal surfaces II. //J. Phys. Chem. Solids. 1962. V. 23. P. 197−205.
- Moore A.J.W., Nicholas J.F. Atomic configurations in ideally flat surfaces -1. Hi. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 20. P. 222−229.
- Nicholas J.F. Atomic configurations in ideally flat surfaces II. // J. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 20. P. 230−237.
- Nicholas J.F. An Atlas of models of crystal structures. New York: Gordon and Breach. 1965.
- Van Hove M.A., Somorjai G.A. A New Microfacet Notation for High-Miller-Index Surfaces Of Cunic Materials With Terrace, Step And Kink Structures. // Surf. Sci. 1980. V. 92. P. 489−517.
- Moore A.J.W. The structure of Atomically Smooth Spherical Surfaces. H J. of Phys. Chem. Solids. 1962. V. 23. P. 907−912.
- Perry A.J., Brandon D.G. The Bond Structure of Computer-simulated Field-ion Images. //Phil. Mag. 1967. V. 16. P. 119−130.
- Suvorov A.L. Razinkova T.L. Sokolov A.G. Computers in Filed Ton Microscopy. // Phys. Stat. Sol. A. 1980. V.61. P. 11−51.
- Суворов A.JI. Соколов А. Г. Моделирование автоионных изображений с помощью ЭВМ. Идеальные кристаллы. // Структура и свойства монокристаллов тугоплавких металлов. М.: Наука, 1973. с. 74−85.
- Eaton Н.С., Lee L. The simulation of images in field ion microscope: Specimens of arbitrary crystal structure and orientation // J. Appl. Phys. 1982. Vol 53(2) p. 988−994-
- Eckertova L., Frei V., Hajek Z. et al. Fyzikalni electronika pevnych latek. Praha: Karolinum, 1992. 346 s.
- Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. // Гостехиздат. 1956.
- Ранганатан С, Рен Дж. Автоионная микроскопия. М.: Мир, 1971.
- Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. Киев: «Наукова Думка», 1981. 339 с.
- Суворов A. JL, Разинкова Т. Д., Кузнецов В. А. Машинное моделирование автоэлектронных изображений. //ИТЭФ-94. 1974.
- Suvorov A.L., Razinkova T.L., Kuznetsov V.A. Computer simulation of field electron images. // Surf. Sci. 1975. V. 52. P. 697−702.
- Muller J. Anisotropy of the work function change in physical adsorption. // Surf. Sci. 1974. V. 42. P. 525−532.
- Surma S.A. Correlation of electron Work Function and Surface-Atomic Structure of Some d Transitional Metals. // Phys. Stat. Sol. A 2001. V. 183. P. 307−322.
- Овсянников Д. А., Егоров H. В. Математическое моделирование систем формирования электронных и ионных пучков. СПб.: Издательство СПбГУ, 1998. 276 с.
- Cutler P. H., He J., Miskovsky N. M. et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 1993. V. 11. P. 387−391.
- NicolaescuD. //J. Vac. Sci. Tech. B. 1993. V. 11. P. 392−395.
- Яковлев Б. В., Егоров Н. В. //Поверхность. 1998. № 10. С. 135−142.
- Modinos A. Theoretical analysis of field emission data // Solid-State Electronics. 2001. V. 45. P. 809−816.
- Kai J., Kauai M., Tama M. et a1. // Jpn. J. Appl. Phys. 2001. V. 40. P. 4696−4700.
- Kiejna A., Niedermann P., Fischer 0. I I Appl. Phys. A. 1990. V. 50. P.331−338.
- Korolkov A., Likharev K. // Teclm. Dig. IDEM'99. P. 223−226.
- Сокольская И. Л. // Известия АН СССР. Серия физич. 1964. Т. 30. С. 1966−1973.
- R.G. Forbes Refining the application of Fowler-Nordheim theory // Ultramicroscopy 79 (1999)11−23.
- Gomer R. Filed emission and field ion microscopy. Harvard University Press, 1961.192 p.
- Burgers R.E., Kroemer H., Houston J.M. Corrected values of Fowler-Nordheim field emission functions в (у) and S (y) I I Phis. Rev. 1953. Vol.90. P.515−518.
- Brenac A., Baptist R., Chauvet G., Meyer R. Caiactenstiques energetiques de cathodes a micropointes a emission de champ // Revue Phys.Appl. 1987. Vol. 22 P. 1819−1834.
- Zhukov D.V. Proc. of 31-th Workshop: Control process and stability, St.-Petersburg (2000) P. 162.
- Guth E., Muller C.J. Electron emission of metals in electric field // Phys. Rev. 1942. V. 61. 5−6. P. 339−348.
- Андреев И.С. Исследование электронной эмиссии из металла в области ее перехода от холодной к термоэлектронной // Журн. Техн. Физики. 952. Т. 22 С. 1428−1441.
- Dolan W.W., Duke W.P. temperature and field emission of electrons from metals //Phys. Rev. 1954. V. 95. P.327−332.
- Modinos A. Theoretical analysis of field emission data // Solid-State Electrinics 45 (2001) P. 809−816.
- Plsek J., Zhukov D.V., Knor Z. The average work fiinction and emission area in the Fowler-Nordheim equation 11 Czech. J. Phys.
- G.R. Condon and J.A. Panitz: J. Vac. Sci. Technol. В 16 (1998) 23
- R.G. Forbes and K.L. Jensen New results in the theory of Fowler-Nordheim plots and the modelling of hemi-ellipsoidal emitters // Ultramicroscopy 89 (2001) 17.
- Drechsler M., Henkel E. //Z. Angevv. Phys. 1954. Vol. 6. P. 341
- Modinos A., Xanthahis J.P. Energy-broadening of field-emitted electrons due to Coulomb collisions // Surface Science, 249 (1991), P.373.
- Wei L., Baoping W., Li G., Hanchun Y., Yan T. Analysis of the emission performance of field emitter with Laplace interpolation method // Applied Surface Science, 161 (2000), P. 1−8.
- Kantorovich L.N., Foster A.S., Shluger A.L., Stoneham A.M. Role of image forces in non-contact scanning force microscope images of ionic surfaces // Surface Science, 445 (2000), P.283−299.
- Miskovsky N.M., Park S.H., He J., Cutler P.H. Energy exchange processes in field emission from atomically sharp metallic emitters // Journal of Vacuum Science and Technologies B, 11 (1993), № 2, P.366−371.
- Georgieva S., Vichev D., Drandarov K. Computer simulation of the emission process of some field emission alloy ion sources // Vacuum, 47 (1996), № 10, P. l 143−1144.
- Egorov N.V., Vinogradova E.M. Solution of boundary-value problem in bispherical coordinates // Proceedings of 3-th Inter. Workshop: BDO-96, S .-Petersburg, 1996, P.274−278.
- Mesa G., Dobado-Fuentes E., Saenz J.J. Image charge method for electrostatic calculations in field-emission diodes // Journal of Applied Physics, 79 (1996), № 1, P.39−43.
- Y. Ohkavara, T. Naijo, T. Washio, S. Oshio, H. Ito, H. Saitoh. Field emission properties of AlZnO whiskers modified by amorphous carbon and related films I I Japanese Journal of Applied Physics, 40 (2001), № 12, p. 7013−7017.
- Jensen K.L., Yater J.E. Advanced emitters for next generation rf amplifiers//Journal of Vacuum Science and Technologies B, 16 (1998), № 4, p.2038−2049.
- Dyke W.P., Trolan J.K., dolan W.W., Barnes G. The Field Emitter: Fabrication, electron Microscopy, and Electric field calculations // J. Appl. Phy. 1953. Vol. 24. P.570−578.
- P.J. Birdseye, D.A. Smith, G.D.W. Smith Analogue investigation of electric field distribution and ion trajectories in the field ion microscope // Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 7,1974
- R.G.Forbes, C.J.Edgcombe, U. Valdre Some comments on models for field enhancement // Ultramicroscopy 95 (2003) 57−65.
- Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научныхработников и инженеров) М.: Наука. С. 1978 832.
- Souza C.F.A., Andion N.P., С.М.С. de Castilho Electric Potential and Field Near Pointed Shaped Surfaces. // Jounal de Physique IV, Coloque c5, Vol.6 1996, P.55−58.
- Scovell D.L., Pinkerton T.D., Medvedev V.K., Stuve E.M. Phase transitions in vapor-deposited water under the influence of high surface electric fileds. // Surface Science. 2000. V. 457. P. 365−376.
- J.R. Macdonald, C.A. Barlow Work Function Change on Monolayer Adsorption //J. of Chem. Phys. Vol. 39 (1963) P.412−422.
- J.R. Macdonald, C.A. Barlow // J. of Chem. Phys. Vol. 36 (1962) P.3062
- J. Topping // Proc. Roy. Soc. Vol. A114. 1927. P 67.
- Суворов А.Л. Автоионная микроскопия радиационных дефектов в металлах. //М.: Энергоиздат. 1982. — 167 с.
- Egorov N.V., Vinogradova Е.М. Mathematical modeling of the electron beam formatting systems on the basis of field emission cathodes with various shapes // Vacuum 72 (2004) 103−11.
- Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1976. 576с.
- А. Ван Оостром Методы автоионной микроскопии и атомного зонда // Новое в исследовании поверхности твердого тела (ред. Т. Джайядевайя и Р. Ванселов) Выпуск 2 (1977). С. 40−67.
- Дж. П Хобсон Физическая адсорбция // Новое в исследовании поверхности твердого тела (ред. Т. Джайядевайя и Р. Ванселов) Выпуск 1 (1977). С. 152−188.
- A. Stintz, J.A. Panitz // Int. J. Mass. Spectrom. Ion Processes. Vol. 1 331 994) P. 59.
- R. Blaszczyszyn, A. Ciszewski, M. Blaszczyszynowa, R. Bryl, S. Zuber The interaction of water with surfaces of Pt and Ir field emitters П Appl. Surf. Sci. Vol 67 (1993) P. 211−217.
- R. Biyl, T. Wysocki, R. Blaszczyszyn Field-induced redistribution and diffusion of water on a Pt field emitter // Appl. Surf. Sci. Vol 87/881 995) P. 69−74.
- R. Bryl Dissociation of water deposited on W field emitter tip // Vacuum. Vol. 55 (1999)P.85−89.
- P.A. Thiel, Т.Е. Madey The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects // Surf. Sci. Rep. Vol. 7 (1987) P. 211.
- J.C.Penley//Phys. Rev. Vol. 128 (1962) P. 596.
- R.Gomer I I Aust. J. Phys. Vol. 13 (1960) P.391.
- N. Ikemiya, A.A. Gewirth //J. Am. Chem. Soc. Vol. 119 (1997) P. 9919.
- Nedler, J.A., Mead R. A Simplex Method for Function Minimization // Computer Journal, Vol. 7, 1965, P. 308−313.
- Lagarias J.C., J. A. Reeds, M. H. Wright, P. E. Wright Convergence Properties of the Nelder-Mead Simplex Method in Low Dimensions // SIAM Journal of Optimization, Vol. 9,1998, P. 112−147.