Физики из России разработали методику синтеза композита на основе пористого кремния. В нем однородно распределены серебросодержащие фуллереновые материалы. Оказалось, что из этого композита можно создать более эффективные эмиссионные катодные материалы для точного определения состава неизвестного вещества, а также элементы для наноэлектроники. По своим характеристикам он превосходит современные аналоги, так как способен создавать большие плотности потока электронов при меньшей напряженности электрического тока.

Результаты работы опубликованы в журнале Electronics.

Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ) позволяет определять атомный состав вещества с высокой точностью: электроны, проходя через образец, теряют энергию, и ее количество строго зависит от типа атомов в веществе. Образец просвечивается электронами насквозь, для чего нужна высокая плотность потока частиц. Особенно привлекают ученых низкопороговые («холодные») полевые катоды, обеспечивающие эмиссионные токи высокой плотности при низких пороговых напряжениях.

Физические причины такого явления пока остаются дискуссионными, однако материалы, способные к низкопороговой эмиссии, уже можно использовать как устройства для создания источников электронов. Такой эффект полезен не только для улучшения метода СХПЭЭ, но и для различных практических применений в наноэлектронике: в СВЧ-устройствах, полевых дисплеях, квантовых транзисторах, электронной микроскопии и нанолитографии.

Наиболее общий тип материала для низкопороговых полевых катодов представляет собой проводящие ток частицы, распределенные в менее проводящей матрице. В таких структурах могут образоваться нитевидные проводящие каналы: между подложкой и частицами, между самими частицами, а также между частицами около поверхности катода и вакуумом. Образовавшиеся каналы стимулируют излучение электронов даже в слабых электрических полях.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» совместно с коллегами из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Санкт-Петербургского горного университета синтезировали и изучили новый композит для создания эффективных низкопороговых полевых катодов. Непроводящей матрицей для частиц стал пористый кремний, который получили методом электрохимического анодного травления. Его пропитали раствором серебросодержащих материалов на основе фуллеренов — добавились проводящие частицы.

«Мы выбрали пористый кремний, так как это технологичный материал с развитой системой пор, высокой удельной площадью поверхности и пористостью. В нашей работе он содержит разветвленные поры диаметром менее 50 нанометров. Специальные технологические приемы позволяют ввести проводящую фазу в систему каналов пор таким образом, чтобы она была распределена однородно. Так характеристики материала также будут однородными. Сделать это непросто, но мы решили задачу», — отмечает одна из исследователей, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Юлия Спивак.

Пороговое значение напряженности электрического поля для эмиссии электронов образцом составило всего два вольта на микрометр, что в 20 раз меньше, чем у современных аналогов. Такие показатели могут обеспечить больший срок службы катодов и меньшее их разрушение, а также позволят наиболее эффективно использовать подаваемую энергию для излучения электронов. Более того, авторы полагают, что напряженности поля можно еще больше уменьшить, если встроить в материал другие примеси.

«В такие материалы можно инкорпорировать разные частицы: кластеры различных веществ, наночастицы, в том числе современные углеродные наноматериалы на основе нанотрубок или фуллеренов, — подчеркивает другой автор работы, профессор кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Вячеслав Мошников. — В работе показано, что пористые кремниевые материалы, инкорпорированные фуллеренами, имеют отличные технические параметры, представляющие интерес для практического применения. В будущем мы планируем и дальше развивать область новых материалов путем взаимно выгодной кооперации с учеными других организаций».