Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 10 · SOLID STATE ELECTRONICS

Multilayer structures based on carbon nanowalls and aluminum nitride in field emission cathodes

S.A. Bagdasaryan1,2, S.A. Nalimov3,4, A.I. Yurin5,6, E.R. Pavlyukova7,8

1 Научно-производственное предприятие “Технологии радиочастотной идентификации и связи”, Moscow, Russia
2 Scientific engineering center "Technological developments of telecommunication and radio frequency identification", JSC, Russia
3 Центральный научно-исследовательский технологический институт “Техномаш”, Moscow, Russia
4 Central Research Technological Institute "Technomash", Moscow, Russia
5 Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”, Moscow, Russia
6 High School of Economy, Russia
7 Московский физико-технический институт (государственный университет), Dolgoprudnyi
8 Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Institutskiy Pereulok, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.10.12 UDC 537.9 EDN IDIJKD

Abstract

The influence of formation conditions on the structure of carbon nanowalls (CH) and AlN films used as an emitting layer of field emission cathodes is researched. CH layers were obtained on silicon substrates and opal matrices (ordered packings of silica spherical particles) by the method of a carbon-containing gas mixture activated by a direct current glow discharge. To decrease the emission threshold, nanostructured AlN films (CH / AlN structures) were grown on the growth surface of CH layers by the method of RF magnetron reactive sputtering. Electron microscopy, X-ray diffractometry and Raman spectroscopy results demonstrated that CH plates consist of graphene layers, and AlN films consist of amorphous and axially textured crystalline phases. The results of a study of the relationship between the structure of CH layers and CH / AlN structures with the functional characteristics of field emission cathodes are presented.

  • углеродные наностенки
  • пленки нитрида алюминия
  • слоистые структуры
  • автоэмиссионные катоды
  • carbon nanowalls
  • aluminum nitride films
  • layered structures
  • field emission cathodes
Аннотация (на русском)

Многослойные структуры на основе углеродных наностенок и нитрида алюминия в автоэмиссионных катодах

Рассмотрено влияние условий формирования на строение углеродных наностенок (CН) и пленок AlN, используемых в качестве эмитирующего слоя автоэмиссионных катодов. Слои CН получали на кремниевых подложках и опаловых матрицах (упорядоченных упаковках шаровых частиц кремнезема) методом активированной тлеющим разрядом постоянного тока углеродсодержащей газовой смеси. Для снижения порога эмиссии на ростовой поверхности слоев СН методом ВЧ-магнетронного реактивного распыления выращивали наноструктурированные пленки AlN (структуры CН/AlN). Электронной микроскопией, рентгеновской дифрактометрией и спектроскопией комбинационного рассеяния света показано, что пластины CН состоят из слоев графена, а пленки AlN - из аморфной и аксиально текстурированной кристаллической фаз. Представлены результаты исследования связи строения слоев CН и структур CН/AlN с функциональными характеристиками автоэмиссионных катодов.

For citation

Bagdasaryan S.A., Nalimov S.A., Yurin A.I., Pavlyukova E.R. Multilayer structures based on carbon nanowalls and aluminum nitride in field emission cathodes // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.10.12

References

  1. Belyanin А.F., Nalimov S.A., Luchnikov A.P., Bagdasaryan A.S. Properties of planar structures based on policluster films of diamond and AlN. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 6. "6th International Conference: Modern Technologies for Non-Destructive Testing". 2018. P.012041. DOI: 10.1088/1757-899X/289/1/012041.
  2. Collins J.L. Diamond-like carbon (DLC) - a review. Industrial diamond review. 1998. Vol.58. No.578. P.90-92.
  3. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С. Слоистая структура на основе пленок поликластерного алмаза и AlN для устройств на поверхностных акустических волнах // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 3. С. 30-38.
  4. Spitsyn B.V., Blaut-Blachev A.N., Bouilov L.L., Zhirnov V.V., Bormatova L.V., Givargizov E.I., Belyanin A.F., Pashchenko P.V. Field emitters based on Si tips with AlN coating // Diamond and Related Materials. 1998. № 7. № 2-5. P. 692-694.
  5. Busta H.H., Chen J.M., Shen Z., Jansen K., Rizkowski S., Matey J., Lanzillotto A. Characterization of electron emitters for miniature x-ray sources // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2003. Vol. 21. Р. 344-349. DOI 10.1116/1.1529657
  6. Tzeng Y., Chen C-L., Chen Y-Y., Liu C-Y. Carbon nanowalls on graphite for cold cathode applications. Diamond and Related Materials. 2010. Vol.19 (2-3). P.201-204. DOI 10.1016/j.diamond.2009.08.005
  7. Wang H-X., Jiang N., Zhang H., Hiraki A. Growth of a three dimensional complex carbon nanoneedle electron emitter for fabrication of field emission devices. Carbon. 2010. Vol.48. P.4483-4488. DOI 10.1016/j.carbon.2010.08.008
  8. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Самойлович М.И., Багдасарян А.С. Влияние лазерного облучения и термической обработки на строение и автоэмиссионные свойства углеродных наностенок // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 3. С. 16-26. DOI: 10.7868/S0207352817030052
  9. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Багдасарян А.С. Наноструктурированные углеродные материалы в эмиссионной электронике // Российский технологический журнал. 2017. Т. 5. № 3(17). С. 22-40.
  10. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Тимофеев М.А., Ламский А.Н. Ненакаливаемые катоды на основе углеродных наноструктурированных слоистых структур // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2013. № 4. С. 31-36.
  11. Wang C.C., Chiu M.C., Shiao M.H., Shieua F.S. Characterization of AlN thin films prepared by unbalanced magnetron sputtering. Journal of The Electrochemical Society. 2004. Vol.151. No.10. P.252-256.
  12. Самойлович М.И., Бовтун В., Ринкевич А.Б., Белянин А.Ф., Клещева С.М., Кемпа M., Нужный Д. Пространственно-неоднородные материалы на основе решетчатых упаковок наносфер SiO2 // Инженерная физика. 2010. № 6. С. 29-38.
  13. Rinkevich A.B., Burkhanov A.M., Samoilovich M.I., Belyanin A.F., Kleshcheva S.M., Kuznetsov E.A. Three-dimensional nanocomposite metal dielectric materials on the basis of opal matrices. Russian Journal of General Chemistry. 2013. Vol.83. No.11. P.2148-2158.
  14. Tzeng Y, Chen W. L, Wu C., Lo J-Y., Li C-Y. The synthesis of graphene nanowalls on a diamond film on a silicon substrate by direct-current plasma chemical vapor deposition. Carbon. 2013. V. 53. P. 120-129. DOI 10.1016/j.carbon.2012.10.038
  15. Pimenta M.A., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Cancado L.G., Jorio A., Saito R. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy. Physical Chemistry Chemical physics. 2007. Vol. 9. P. 1276-1291. DOI 10.1039/b613962k
  16. Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nanodiabatic effects // Solid state communications. 2007. Vol.143. P.47-57. DOI 10.1016/j.ssc.2007.03.052
  17. Thornton J.Di-M. Carbon Nanowalls: Processing, Structure and Electrochemical Properties. A dissertation submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University. 2011. Р. 55.
  18. Shang N.G., Staedler T., Jiang X. Radial textured carbon nano flake spherules. Applied Physics Letters. 2006. Vol.89. P.103-112. DOI 10.1063/1.2346314
  19. Ferrari A.C., Meyer J.C., Scardaci V., Casiraghi C., Lazzeri M., Mauri F., Piscanec S., Jiang D., Novoselov K.S., Roth S., Geim A.K. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Physical Review Letters. 2006. Vol. 97. 187401. DOI 10.1103/PhysRevLett.97.187401
  20. Oliveira C., Otani C., Maciel H.S. et al. Raman active E2 modes in aluminum nitride films. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2001. Vol.12. P.259-262.
  21. Liu L., Liu B., Edgara J.H., Rajasingam S., Kuball M. Raman characterization and stress analysis of AlN grown on SiC by sublimation. Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 92. No.9. P.5183-5188.