ЦИТ-Нано / Поддержка / Статьи / Туннельная спектроскопия

Туннельная спектроскопия палладий-бариевых эмиттеров

© В.Б. Байбурин, Ю.П. Волков, Е.М. Ильин, С.В. Семенов
Саратовский государственный технический университет
E-mail:
Поступило в Редакцию 26 июня 2002 г.

Экспериментально исследована поверхность палладий-бариевого катода методами сканирующей зондовой микроскопии. С помощью туннельной спектроскопии получена картина распределения работы выхода на микроучастке поверхности катода. Проведено сопоставление распределения работы выхода с различными фазами палладий-бариевого сплава.

Надежность и долговечность работы мощных электровакуумных приборов сверхвысокочастотного диапазона во многом определяется физическими свойствами используемых эмиттеров (их составом, структурой, особенностями механизма функционирования и т.д.). Эффективным источником электронов во многих современных электровакуумных приборах являются металлосплавные эмиттеры [1]. Несмотря на достаточно длительное их применение, до сих пор нет полного представления о механизме их функционирования, в частности формировании эмиссионных участков на поверхности катодов. Успешность решения данной проблемы, имеющей не только научное, но и большое практическое значение, связанное с совершенствованием эмиссионных свойств катодов, во многом определяется возможностью анализа с высоким пространственным разрешением физических параметров, характеризующих микроучастки поверхности эмиттера.

Изображение топографии поверхности палладий-бариевого эмиттера
Рис. 1.
Изображение топографии поверхности палладий-бариевого эмиттера, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа на воздухе. Размер участка сканирования 90 x 90 nm, максимальная высота выступов 30.7 nm, туннельный ток 1 nA, напряжение смещения 100mV.
Туннельная спектроскопия
Рис. 2.
Туннельная спектроскопия с модуляцией туннельного зазора участка поверхности палладий-бариевого катода 90 x 90 nm. Участкам белого цвета соответствует минимальная работа выхода (2.3 eV), серым — 3.7 eV, черным — максимальная (5.2 eV).

Экспериментальные данные об исследовании свойств поверхностей металлосплавных, и в частности палладий-бариевых катодов, по данным авторов практически отсутствуют. Классические методы анализа (например, оптическая металлография, химический и рентгеноструктурный анализ) не позволяют проводить исследование рельефа и состава поверхности эмиттеров с высоким пространственным разрешением и зачастую весьма дороги. Для решения данной проблемы весьма эффективными могут оказаться методы сканирующей туннельной микроскопии [2], дающие возможность исследовать топографию и работу выхода поверхности со сверхвысоким пространственным разрешением. В настоящей работе приведены результаты наблюдений поверхности палладий-бариевых катодов методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Поверхность катода промывалась 96%-ным этиловым спиртом для удаления загрязнений и далее исследовалась на воздухе с помощью универсального комплекса сканирующей зондовой микроскопии [3], с использованием в качестве острия механически обрезанной проволоки из платиноиридиевого сплава. На рис. 1 представлено СТМ-изображение топографии микроучастка поверхности эмиттера размерами 90 90 nm, полученное при туннельном токе 1 nA. Как видно из рис. 1, поверхность эмиттера достаточно сильно изрезана и имеет пористый характер, что соответствует современным теоретическим представлениям.

На рис. 2 показано распределение областей с различными величинами работы выхода по участку 90 x 90nm поверхности эмиттера, которым соответствуют различные цвета от белого (минимальная работа выхода —2.3 eV) до черного (максимальная работа выхода —5.2 eV). Изображение получено с помощью туннельной спектроскопии, выполненной с модуляцией туннельного зазора, при этом цифровая обратная связь, поддерживающая постоянное значение туннельного тока, отключалась. Предположительно белые участки соответствуют соединениям бария с кислородом (среднее значение работы выхода —2.3 eV), серые участки ? интерметаллиду (3.7 eV), а черные представляют собой палладиевую матрицу с максимальной работой выхода —5.2 eV. Полученный результат подтверждает теоретическое представление об островковом характере участков эмиссии катода.

Представляется, что исследования топографии поверхности эмиттера и его состава методами СТМ могут оказаться полезными при изучении влияния различных химико-технологических факторов на эмиссионные способности катодов при их производстве и эксплуатации и возможности их оптимизации.

Список литературы

  1. Ашкинази Л. А. Термо-вторично-электронные катоды для электровакуумных и газоразрядных приборов. Обзор по электронной технике. Сер. 1. СВЧ техника. В. 5. М.: ЦНИИ «Электроника», 1992. 103 с.
  2. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch. et al. // Phys. Rev. Lett. 1982. V. 49. N 1. P. 57-61.
  3. Baiburin V. B., Volkov Yu.P., Konnov N. P. // Instrum. and Experim. Techniq. 1997. V. 40. N 5. P. 242-247.