Faculté des sciences

Microscopic characterization of electron field emission from carbon nanotubes and carbon thin-film electron emitters

Nilsson, Lars-Ola ; Schlapbach, Louis (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2001 ; Nr. 1337.

The development of electronic devices based on micron-sized vacuum electron sources during the last decades [1] have triggered intense research on highly efficient carbon based thin film electron emitters [2]. We developed a new vacuum field emission apparatus composed of a field emission microscope (FEM) and a scanning anode field emission microscope (SAFEM), in order to investigate the low... Plus

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    Zusammenfassung
    Die Entwicklung elektronischer Geräte, deren Funktionsweise auf Mikrometer grossen Elektronenquellen beruht [1], haben im letzen Dezennium intensive Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet von dünnen, Elektronenemittierenden Filmen aus Kohlenstoff ausgelöst [2]. Zur Untersuchung der Elektronen-Feldemission dieser Filme und von Kohlenstoff Nanoröhrchen, haben wir eine neue Feldemissions Anlage im Ultrahochvakuum gebaut. Diese besteht aus einem Feldemissions Mikroskop (FEM) und einem Raster Anoden Feldemissions Mikroskop (SAFEM). Elektronenemitter aus Filmen verschiedener Kohlenstoffmodifikationen wurden analysiert, insbesondere in der Gasphase abgeschiedene Diamant- und diamantähnlichen Filme, sowie Filme von direkt auf Substraten aufgewachsenen Nanorörchen. Der erste Teil (Kapitel 2) dieser Dissertation beschreibt vor allem die technologische Relevanz der kalten Elektronenemission von Kohlenstoff, während fundamentale physikalische Aspekte, z.B. Anisotropie und Instabilität der Emission im zweiten Teil (Kapitel 3) behandelt werden. Die Elektronenemission von Kohlenstoffschichten kann durch Fowler-Nordheim Tunneln aus scharfen Spitzen [3], die bis einige Mikrometer hoch sein können, beschrieben werden. Solche Strukturen können das angelegte Feld erheblich vergrössern (um dem Faktor β) [4]. Durch SAFEM Untersuchungen konnten wir zeigen, dass die Emissionseigenschaften von dünnen emittierenden Filmen am besten durch die räumliche Feldüberhöhung β(x,y) beschrieben werden. Sowohl die feldemittierte Stromdichte wie auch die Emitterdichte (ESD) kann mit β(x,y) charakterisiert werden. Unsere Messungen zeigen klar, dass eine hohe Emitterdichte in einem möglichst engen Feldüberhöhungsintervall für eine hohe ESD vorteilhaft ist. Die Dichte darf allerdings einen kritischen Schwellenwert nicht überschreiten. Oberhalb eines kritischen Wertes des Verhältnis zwischen Emitterhöhe und Emitterabstand wird die Emission durch elektrostatische Abschirmung abschwächt. Die SAFEM Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass oberhalb einer kritischen Stromlimite (für unsere Proben > 300 nA) Abweichungen von der Fowler-Nordheim Charakteristik und Emissiondegradation eintritt. Dieses Verhalten wird der Resistivität des Strompfades zum Emitter zugeschrieben. Es scheint als ob die Emissionsdegradation durch Joulesches Erwärmen am Emitter-Substrat verursacht ist. Aus den Untersuchungen einzelner CNT's mit dem FEM haben wir ein besseres Verständnis für die Phänomene an der Emitter-Spitze während der Feldemission erworben. Die gemessenen FEM-Muster sind wahrscheinlich als Abbildung molekularer Orbitale zu interpretieren. Sie können Fremdatomen adsorbiert an der gekrümmten CNT-Haube entsprechen. Es scheint, dass der Phosphorschirm die verantwortliche Quelle solcher Atome oder Moleküle ist.
    Summary
    The development of electronic devices based on micron-sized vacuum electron sources during the last decades [1] have triggered intense research on highly efficient carbon based thin film electron emitters [2]. We developed a new vacuum field emission apparatus composed of a field emission microscope (FEM) and a scanning anode field emission microscope (SAFEM), in order to investigate the low threshold electron field emission from carbon based thin films and carbon nanotubes. The unique design enabled us to characterize different chemical vapor deposited diamond, diamond-like carbon and carbon nanotube (CNT) thin films with the SAFEM and individual carbon nanotube emitters with the FEM. The first part (chapter 2) of this thesis provides a technologically relevant description of carbon cold cathode electron emission, whereas more fundamental physical aspects with regard to emission anisotropy and short term instability are discussed in the second part (chapter 3). The emission from carbon thin films is explained by Fowler-Nordheim tunneling [3] of electrons from tip-like structures in the micro- and the nanometer range, which locally amplify the applied field [4] by the field enhancement factor β. From the investigations accomplished with the SAFEM it became clear that the emission properties of thin film emitters are best characterized by the spatial distribution of their field enhancement β(x,y). The β(x,y) maps can be used to describe the emitted current density and emission site density (ESD) of thin film emitters. Our measurements clearly show that a high density of field enhancing structures (FES) in a narrow field enhancement range is advantageous in order to obtain a high ESD but the emitter density must not surpass an upper critical limit. If the inter-FES separation becomes comparable with the typical size of the FES, electrostatic screening will reduce the emitted current density. The SAFEM investigations have also shown that deviations from the Fowler-Nordheim characteristics and emission degradation occur above a critical (for our samples 300 > nA) emission current and is ascribed to the resistivity of the conduction path between the emitter and the substrate. It seems that the emission degradation is induced by joule heating at the emittersubstrate interface. From the FEM investigations of single CNTs we have gained better insight into the phenomena occurring at the tip apex of the CNTs during field emission. It seems that the observed FEM patterns are representing the molecular orbitals of the CNT tip apex. Such orbitals can be modified by impinging atoms or molecules coming from the gas phase or more probable from the outgassing phosphor screen. If the impinging species are adsorbed to the CNT tip apex it is possible that enhanced resonant tunneling states are created.