Эмиттирующие наноструктуры "металл-оксид металла": физика и применение

Министерство образования и науки РФ 
Федеральное агентство по образованию 
 
Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
Калужский филиал 
 
Калужский государственный педагогический университет 
имени К.Э. Циолковского 
 
 
Посвящается 50-летию 
Калужского филиала 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 
 
 
Д.К. Никифоров, А.П. Коржавый, К.Г. Никифоров 
 
 
ЭМИТТИРУЮЩИЕ НАНОСТРУКТУРЫ 
«МЕТАЛЛ–ОКСИД МЕТАЛЛА»: 
ФИЗИКА И ПРИМЕНЕНИЕ 
 
 
Под редакцией А.П. Коржавого 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 538.975; 537.226; 537.312.7 
ББК 22.37 
 
Н22 

Рецензенты: 
кафедра «Технологические основы радиоэлектроники» Московского 
государственного института радиотехники, электроники и автоматики 
(технического университета); 
д-р техн. наук, профессор, 
лауреат Государственных премий СССР и РФ  В.П. Марин; 
д-р техн. наук  В.В. Прасицкий 
 
 
Никифоров Д.К., Коржавый А.П., Никифоров К.Г. 
Н22 
 
Эмиттирующие наноструктуры «металл–оксид металла»: физика 
и применение: Монография / Под ред. А.П. Коржавого. — М.: 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 156 с. 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3357-5 
 
 
 
В монографии освещены важнейшие с точки зрения современного материаловедения вопросы формирования эмиссионных токов в наноструктурах 
«металл–оксид металла», активно используемых в качестве основы холодных 
катодов различных электронных устройств. 
 
 
Проведен анализ использования тонкопленочных структур как основы холодных катодов кольцевых лазеров гироскопов, для накачки которых применяется тлеющий газовый разряд. С использованием компьютерного моделирования 
проведены комплексные исследования механизмов формирования инжекционно-эмиссионных токов в наноструктурах Al–Al2O3 и Be–BeO, процессов модификации их поверхности и объема под действием ионно-электронной бомбардировки. Рассмотрены вопросы получения и исследования физико-технических 
параметров холодных катодов на основе наноструктур Al–Al2O3 и Be–BeO. 
 
 
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, 
специализирующихся в области электронного материаловедения, радиоэлектроники, физики твердого тела. Она также может служить учебником, полезным преподавателям, аспирантам, магистрантам и студентам-старшекурсникам 
соответствующих физико-технических и естественнонаучных специальностей. 
 
УДК 538.975; 537.226; 537.312.7 
ББК 22.37 
 
 
© Никифоров Д.К., 
 
 
Коржавый А.П., 
 
 
Никифоров К.Г., 2009 
 
© Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3357-5 
 
им. Н.Э. Баумана, 2009 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА 

Когда-нибудь все будет иметь свой конец — 
далекий день, которого я уже не увижу, 
тогда откроют мои книги и у меня будут 
читатели. Я должен писать для них, для них 
я должен закончить мои основные идеи… 
/Фридрих Ницше/ 
 
Появление в начале 70-х годов прошлого века лазерного гироскопа на холодных катодах из оксидированных металлов (Be, Al, Na, 
Zr и др.) обусловлено недостатками, присущими классическому роторному гироскопу. Наличие в последнем массы, закрепленной в 
подшипниках в качестве чувствительного элемента, а также и других вращающихся и изнашивающихся частей существенным образом 
снижает надежность роторного гироскопа. К тому же в последние 
десятилетия возрастали требования к навигационным комплексам. 
Поэтому в конце прошлого века и наблюдался высокий интерес 
к новым разработкам приборов управления движением. Наряду с 
кольцевым газоразрядным лазерным гироскопом на холодных катодах был создан волоконно-оптический гироскоп, камертонный 
гироскоп и, наконец, волновой твердотельный гироскоп. 
В настоящее время все вышеупомянутые гироскопы находятся 
на различных стадиях промышленного освоения. Классический 
роторный гироскоп благодаря постоянному улучшению характеристик и вопреки высокой чувствительности к механическим нагрузкам все еще широко используется в отечественной промышленности для управления движением целого ряда объектов. Российские авиационные и судовые навигационные комплексы в основном используют кольцевые лазерные гироскопы на холодных 
катодах. В США, Франции и в других странах Евросоюза серийные лазерные гироскопы применяют на всех морских судах и в 
авиационной технике. Лазерный гироскоп состоит из кольцевого 
лазера, устройства совмещения встречных волн, фотоприемника 
(фотодиода) и вычислительного комплекса. Используемый в них 
кольцевой лазер имеет моноблочную конструкцию резонатора, изготовленную из плавленого кварца или ситалла. В моноблоке 

кольцевого резонатора определенным образом высверлены оптические каналы и полости, которые служат, в том числе, газоразрядными промежутками, резервуарами смеси газов, обычно гелийнеоновой (He–Ne), местами для размещения холодного катода и 
анодов. Тлеющий разряд, зажженный между катодом и анодами, 
является источником накачки лазера. 
Кварц и ситалл, из которого изготовлен моноблочный резонатор, 
обладают низкой теплопроводностью, что исключает применение в 
кольцевых моноблочных лазерах известного и широко апробированного накаленного катода. Это связано с тем, что при использовании накаленного катода выделяется большое количество тепла, 
разогревающего моноблок. При этом возникает значительный градиент температуры, и деформация материала приводит к изменению периметра, а следовательно, и к расстройке резонатора. Альтернативное использование в такой конструкции высокочастотного 
разряда (ВЧ-накачка) делает её громоздкой и неприемлемой для 
малогабаритных резонаторов. 
В связи с этим разработка конструкции резонаторов с накачкой 
постоянным током на холодном катоде и применение двух анодов 
(для устранения эффекта Лэнгмюра) дала возможность реализовать 
несколько оптических схем лазерных гироскопов, серийное использование которых мы наблюдаем сегодня. 
Применение холодных катодов обеспечило такие основные достоинства лазерного гироскопа, как нечувствительность к линейным 
ускорениям, высокая линейность выходной характеристики, практически мгновенное включение и малое время готовности. 
Предельная чувствительность лазерного гироскопа ограничивается естественными флуктуациями. Для He–Ne лазерного датчика 
она составляет 10–3–10–4 град/ч. Случайный и долговременный 
дрейф, его воспроизводимость при повторных включениях составляют не более 10–1 град/ч. Диапазон угловых скоростей, измеряемых лазерными гироскопами, составляет 10–2–107 град/ч. 
Заметим, что точность лазерного гироскопа определяется и временем обработки информации, однако современные вычислительные средства позволяют весьма успешно разрешать эту операцию. 
Решены к настоящему времени и некоторые другие технические 
проблемы, ограничивающие возможности лазерной гироскопии. 
От паразитных невзаимностей избавляются периодическим изме

нением знака невзаимности — переключением направления поля 
во вневзаимном элементе фарадеевского типа. 
Технология изготовления малогабаритных лазерных гироскопов 
сложна и уникальна. Поскольку их разработка захватывает годы 
«холодной войны» и действия различных эмбарго в отношении 
нашей страны, технические решения по повышению долговечности моноблочных лазерных датчиков на He–Ne-смеси зарубежными фирмами и отечественными специалистами не публиковались. 
Нет сведений, каким путем решена проблема «жестчения» He–Neсмеси в малогабаритных моноблоках, как решена проблема предотвращения утечки гелия при малых балластных объемах в них. 
Эти сведения не приводятся и не обсуждаются и в данной монографии. Замечу лишь то, что эти проблемы успешно решены и долговечность He–Ne моноблочных датчиков уже превышает 10 000 ч. 
Особое место в создании малогабаритных моноблочных кольцевых лазеров занимает источник электронов — холодный катод. 
Его долговечность и стабильная работоспособность в He–Ne-смеси 
в условиях аномального тлеющего разряда, обеспечивающего накачку, в значительной степени позволила достичь прогресса в освоении серийного производства современных лазерных гироскопов. 
При создании отечественных холодных катодов для малогабаритных моноблочных лазерных гироскопов были априори заложены жесткие условия работы холодного катода в аномальном тлеющем разряде: объем He–Ne-смеси 50 см3; соотношения парциальных давлений компонентов 
(
) (
)
He
Ne
:
5:1
15:1 ;
p
p
=
÷
 общее давле
ние 
He Ne
200
400
p
−
=
÷
Па; плотность разрядного тока на холодном 
катоде 1 мА/см2. Это фактически реальные условия для реализации 
процесса катодного распыления металлических материалов. 
В этих условиях функционирования аномального тлеющего 
разряда холодный катод в течение всего срока службы практически не должен распыляться и в то же время он должен выполнять 
свою основную функцию: поставку электронов в плазму тлеющего 
разряда для его непрерывного горения. Идея обеспечения его долговременной работы заключалась в том, чтобы защитить поверхность холодного металлического катода, испускающую электроны, 
слабораспыляющейся в процессе бомбардировки положительными 
ионами и ускоренными частицами тлеющего разряда диэлектриче

ской пленкой, например оксидной. Такая пленка должна иметь поры и дефекты для поступления через них электронов из металлической части холодного катода, поскольку свободных электронов в 
диэлектрике нет. 
Однако, как оказалось, эти дефекты и поры становились со временем местами локального разрушения рабочей поверхности холодного катода системы «металл–оксид металла», что и ограничивало срок его службы. 
Создание беспористой наноструктуры «металл–оксид металла» 
с толщиной оксидной пленки в несколько нанометров, через которую могли бы «вытягиваться» электроны из металла без разрушения самой нанопленки, потребовало значительного объема теоретических и экспериментальных исследований. 
Описанию этих исследований и посвящена данная монография. 
Монография состоит из введения, четырех глав и заключения. 
Во введении кратко обсуждены современные эмиттеры электронов — холодные катоды системы «металл–оксид металла», в частности с тонкими пленками Al2O3 и BeO, а также основные цели 
монографии. 
В главе 1 описаны тонкопленочные структуры, перспективные 
в качестве источников электронов — холодных катодов — для 
различных типов газоразрядных приборов. Рассмотрены физические свойства структур типа Al–Al2O3, Ве–BeO и др. и различные 
способы их получения, особенности их конструкций в виде полых 
катодов, а также схемы и применения в газоразрядных лазерах, в 
том числе и моноблочных. Значительный объем материала посвящен анализу свойств используемых для этих целей материалов. 
Проблемам моделирования процессов инжекции и эмиссии носителей заряда в системах «металл–оксид металла» посвящена 
глава 2. Особое внимание в ней уделено формированию туннельных токов в наноструктурах Al–Al2O3 и Ве–BeO. Описаны и проанализированы расчетные зависимости туннельного тока Фаулера–
Нордгейма через границу металл–диэлектрик для конкретных наноструктур при различных условиях. 
Глава 3 посвящена анализу процессов распыления поверхности 
оксида металла в наноструктурах Al–Al2O3 и Ве–BeO под действием бомбардировки и моделированию физических процессов в них. 
Описаны также исследования по изучению процессов формирова

ния вторичных ионно-электронной и электронной эмиссий с поверхности оксида металла в таких наноструктурах. 
Получению и исследованию тонкопленочных холодных катодов 
на основе наноструктур Al–Al2O3 и Ве–BeO посвящена глава 4. 
В ней описаны экспериментальные устройства и приборы, а также 
способы получения и исследования основных свойств холодных 
катодов. Проанализированы работы по макетированию и применению эмиттирующих наноструктур в экспериментальных приборах. 
В заключении рассмотрены возможные пути развития навигационных приборов и применения технологий получения наноструктур при их реализации в перспективных гироскопах. 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В различных областях науки, техники, промышленности широко востребованы устройства электронной техники — вакуумные 
СВЧ-приборы, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лазеры, важнейшим элементом которых является эмиттер электронов 
— холодный катод [1–3]. В последние годы газоразрядные, в частности, гелий-неоновые лазеры интенсивно используются для создания лазерных систем с большим функциональным спектром 
применения (хранение информации, средства навигации и локации, печатающие и сканирующие устройства и т.п.). 
Одно из важнейших требований, предъявляемых к катодам газовых лазеров, — способность сохранять рабочие параметры при 
соприкосновении его эмиттирующих поверхностей с газовой средой. Этому способствуют защитные свойства тонкой окисной 
эмиссионной пленки [4]. Особенно широко используются в этом 
плане тонкие пленки Al2O3 и BeO. 
Сочетание высокой температуры плавления и теплопроводности 
с диэлектрическими параметрами, характерное для оксидов алюминия и бериллия, по-прежнему оставляет их оптимальными материалами несмотря на все перспективы использования нитрида алюминия [5, 6]. 
В то же время необходимо отметить, что подобные пленки не 
только выполняют конструктивную «защитную» функцию, но зачастую являются активными элементами электронных структур. В качестве примера можно привести тонкопленочные гетероструктуры 
Al2O3–Si [7], многослойные наноструктуры Ta2O5–Al2O3 [8] и 
SrTiO3–CeO2–Al2O3 [9], металлические одноэлектронные транзисторы на Al(Nb)–Al2O3–Al(Nb) [10, 11], оптические элементы на 
основе BeO для лазерных систем средней ИК-области спектра [12], 
детекторы СВЧ-излучения на основе BeO для термостимулированных экзоэмиссионных дозиметров [13, 14]. Особый интерес представляют обладающие уникальными физическими свойствами неуглеродные нанотрубки, предсказанные на основе BeO [15] и синтезированные на базе Al2O3 [16]. 

Несомненно, что в случае эмиттирующей структуры «металл–
оксид металла» также необходимо рассматривать диэлектрическую 
пленку оксида как важнейший функциональный элемент, формирующий эмиссионные свойства. 
Во-первых, при переходе к тонким пленкам в структуре «металл–диэлектрик» формируются новые закономерности, которые 
не проявляются в массивных образцах: в диэлектрике возникают 
управляемые инжекционные и эмиссионные токи [17–19]. 
Во-вторых, приложение внешнего электрического поля соответствующей полярности (способствующего инжекции электронов из 
металла в диэлектрик) к тонкому диэлектрическому слою приводит 
к многочисленным физическим эффектам, обусловленным «сильным электрическим полем» [17–19]. 
Однако исследования в этих направлениях тонкопленочных 
эмиттирующих структур «металл–оксид металла» как основы холодных катодов до настоящего времени, за редким исключением, 
не проводились, что сводило выбор оптимальных составов и материалов к эмпирическому поиску. 
В данной монографии описаны результаты комплексного исследования механизмов формирования инжекционно-эмиссионных 
токов в наноструктурах «металл–оксид металла» Al–Al2O3 и Be–
BeO и физико-технических свойств макетов холодных катодов на 
их основе, предложены физические механизмы управления процессами инжекции и эмиссии электронов в исследованных структурах. Проведенные авторами аналитические и экспериментальные 
исследования могут быть использованы для научно обоснованного 
создания высокоэффективных холодных катодов на основе наноструктур, содержащих в качестве важнейшего функционального 
элемента диэлектрическую пленку. 
 
 

ГЛАВА 1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ 
КАК ОСНОВА ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ 
ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ 

1.1. 
ХОЛОДНЫЕ КАТОДЫ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ 

В современной электронике широкое распространение получили газовые лазеры [20, 21]. Они работают в очень широком диапазоне длин волн — от вакуумного ультрафиолета до инфракрасной 
области спектра, а малая плотность и высокая однородность газообразной активной среды позволяют обеспечить высокую направленность и когерентность излучения [22]. 
Принципиальным отличием газового лазера от хорошо известной газоразрядной лампы, где оптическое излучение возникает в 
результате электрического разряда в газе, является наличие оптического резонатора — двух плоскопараллельных зеркал, расположенных на концах газоразрядной трубки. С физической точки зрения, оптический резонатор обеспечивает генерацию в газовом разряде монохроматического когерентного излучения. 
Физический принцип работы лазера — обеспечение инверсии 
населенностей энергетических уровней атомов (молекул) активной 
среды лазера. В случае газов к образованию инверсии населенностей приводят следующие физические процессы: 
♦ неупругие соударения атомов разного сорта; 
♦ диссоциация молекул при соударениях в электрическом разряде; 
♦ возбуждение атомов электронами, фотонами и пр. 
Наиболее перспективным является создание инверсии населенностей в процессе электрического разряда (газоразрядные лазеры) 
[22]. В газоразрядных лазерах инверсия населенностей уровней 
создается за счет возбуждения атомов (молекул) газа при их соударениях со свободными быстрыми электронами, образующимися в 
электрическом разряде. 
Давление газовой среды обычно выбирается в пределах 1–103 Па. 
Выбор диапазона обусловлен тем, что при меньших давлениях