книги из ГПНТБ / Трусов Л.И. Островковые металлические пленки

что дает значение максимумов энергии для отдельных резонансов ЕЗп

где /з — выражено в ангстремах; Е0п, Фз — в электронвольтах.

В противоположность симметричному резонансу, здесь имеется много максимумов (рис. 76, б), причем полуширина всплесков кривых обычно очень мала. Та­ ким образом, интенсивное просачивание электронов че­ рез двойной барьер происходит по узким энергетичес­ ким каналам, определяемым, в соответствии с условиями резонанса, параметрами отдельных участков двойного барьера.

Храч [315, 316] рассчитал влияние резонансного тун­ нелирования в МДМ (металл — диэлектрик — ме­ талл)-структурах и показал, что создаются условия для резонанса при переносе заряда через локальные состоя­ ния ловушек в запрещенной зоне диэлектрической про­ слойки.

Аракелян и Синельников [153, с. 177] используют представление о резонансном туннелировании для объ­ яснения активированной проводимости в островковых пленках. В предложенной ими модели предполагается резонансное туннелирование между двумя соседними ост­ ровками, причем минимум (участок 3 на рис. 76, а) в барьере между островками, необходимый для резонан­ са, возникает за счет локальных уровней ловушек в запрещенной зоне. Выражение для плотности тока резо­ нанснаго туннелирования имеет вид

стице, чтобы пересечь потенциальную яму; свя­ занную с ловушкой, и вернуться назад;

Фо — высота барьера;

EQ— уровень резонансного туннелирования; I — ширина барьера.

251

Величина АQ = E 0— \i представляет собой энергию активации процесса проводимости. Из этого выражения следует омическое поведение в слабых полях и линей­ ная зависимость энергии активации от поля.

Для осуществления резонансного туннелирования не­ обходимо, чтобы двойной барьер имел определенные параметры, т. е. чтобы ловушка была локализована на некотором удалении от островков, отвечающем возник­ новению стоячей электронной волны.

Однако, учитывая хаотичность расположения струк­ турных дефектов на поверхности и в объеме диэлектри­ ка, трудно ожидать, что резонансный ток через локаль­ ные уровни будет давать существенный вклад в про­ водимость.

8. Электронная эмиссия и свечение. Разогрев электронного газа

В определенных условиях в островковых металличес­ ких пленках наблюдается два тесно связанных между собой явления: электронная эмиссия и свечение [260; 153, с- 255). Они обнаружены впланках золота толщиной

О

40—80 А на стекле в сильных полях (102—ІО5 в/см), а также на других материалах пленки и подложки: вис­ мута на слюде [153, с. 287], хрома на слюде [153, с. 279]. Чопра [11, 203], наблюдал свечение отдельных центров в пленках золота и серебра, имеющих коалесцентную

О

структуру (100—200А) в области полей 120— 140 в/см. Однако, считая этот эффект следствием микродуг, он не исследовал его подробно. Многие закономерности эмис­ сионных явлений носят общий характер. Электронная эмиссия и свечение происходят не по всей площади пленки, а только из некоторых очагов, которые являют­ ся общими для обоих процессов, что доказано экспери­ ментально.

Зависимость эмиссионного тока от вводимой в плен­ ку мощности и работы выхода пленки показана на рис. 77. Иінтенеіиівіноість электронной эмиссии и свечения экспоненциально зависит от квадратного корня из при­ ложенной ік пленке мощности (рис. 77, а) .

Эмиссионный ток (как и ток проводимости) очень чувствителен к работе выхода, Снижение работы выхода

252

островковой пленки в результате нанесения сверху окиси бария (активирования) вызывает увеличение проводимости и тока эмиссии на несколько порядков, при­ чем ток эмиссии более чувствителен к изменению рабо­ ты выхода, чем ток проводимости.

В работе [153, с. 297] показано, что наибольшая ве­ личина эмиссионных токов (до 100—200 мка при эф-

Рис. 77. Зависимость логарифма тока эмиссии от мощности, вво­ димой в пленку (а), и от работы выхода (б), по данным работ

[317, 318]

фективности до 22%) получается в системе с островко­ вой пленкой золота, активированной фтористым барием.

Эмиссионный ток экспоненциально зависит от работы выхода, которая изменяется при различной степени ак­ тивирования (рис. 77,6). Исследование распределения эмиттированных электронов по энергиям, проведенное по кривым задержки тока эмиссии из отдельного центра [319], показало, что этот ток появляется при некотором пороговом напряжении Uu ■Величина Uл определяется разностью работ выхода эмиттера и коллектора Аф и падением напряжения АU' на пленке от контакта до центра эмиссии:

Характеристики свечения исследованы в работах [319; 153, с. 255]. Оказалось, что угловое распределе­ ние излучения сферически симметрично. 'Спектры излу­ чения состоят из отдельных размытых полос неодинако­ вой интенсивности. Спектры различных очагов свечения не совпадают между собой. Это заметно даже визуаль­ но, так как очаги имеют разную окраску [260]. Интег­

253

ральная мощность излучения отдельного очага зависит

Другие имеют спектры с двумя полосами, направления поляризации которых взаимно перпендикулярны. Элект­ рический вектор световой волны в основном либо парал­ лелен, либо перпендикулярен вектору напряженности электрического поля в пленке [319].

Отличительной особенностью как электронной эмис­ сии, так и свечения является их флуктуационный харак­ тер, который имеет место выше некоторого критического значения вводимой в пленку мощности wKp.

Интенсивность свечения каждого очага флуктуирует во времени около среднего значения (очаги мерцают). Дисперсия экспериментально полученного распределе­ ния интенсивности излучения при w > w Kp существенно превышает теоретическое значение, рассчитанное на ос­ нове пуассоновского закона. При мощностях менее шКр положение максимумов и относительное спектральное распределение интенсивности излучения не зависит от работы выхода и мощности. Интенсивность свечения с увеличением мощности растет. При больших мощностях, вводимых в пленку, флуктуирует не только амплитуда, но и спектральное распределение интенсивности [320].

О взаимной связи электронной эмиссии и свечения говорят следующие факты. При увеличении вводимой в

пленку мощности центры эмиссии электронов и фотонов в пределах ошибки эксперимента обнаруживаются од­ новременно.

Между флуктуациями электронной эмиссии и свече­ ния имеется определенная корреляция, причем коэффи­ циент корреляции близок к единице.

В работах [321; 153, с. 265] на основе электронномик­

женного островками малых размеров (50—100А), и установлено, что при прохождении тока морфология пленки необратимо изменяется.

Для объяснения электролюминесценции и элект­ ронной эмиссии в островковых пленках золота [260]

254

Томчук и Федорович [317, 318] выдвинули гипотезу о разогреве электронного газа при введении в пленку достаточно большой мощности [322]. Предполагается, что переход электронов через зазор между островками происходит туннелированием. При этом, поскольку тун­ нелирование осуществляется по постоянному энергети­ ческому уровню, а в электрическом поле каждая после­ дующая потенциальная яма, соответствующая островку, опущена относительно предыдущей, протуннелировавшие электроны имеют сравнительно высокую энергию, и в ре­ зультате их взаимодействия с другими электронами островка повышается эффективная температура элект­ ронного газа.

Подобная гипотеза применительно к объяснению от­ клонения от закона Ома в островковых пленках была использована Мостовечем и Водаром [230], однако авто­ рам не удалось таким образом объяснить эксперимен­ тально наблюдаемую зависимость сопротивления от

ка. Столкновение электрона с атомом (или островком) рассматри­

Ма — масса атома.

х2 am

Мощность, отдаваемая электроном атомам,

Полная мощность, рассеиваемая электронами в одном островке объемом (2а)3, получается усреднением выражения (346) по нерав-

255

новесной добавке к функции распределения электронов по энергиям:

Эффектом разогрева электронного газа Томчук и Федорович объясняют также и отклонение вольтамперной характеристики от закона Ома. Полученное ими выражение тока имеет вид

256

ф

поле к омической выражается следующим образом:

т. е. в первом приближении проводимость экспоненци­ ально зависит от поля.

Согласно выражению для туннелирования (352) следует ожидать слабого изменения тока с температу­ рой, обусловленной лишь температурной зависимостью фермиевского распределения.

Из экспериментальной температурной зависимости тока, используя формулу (352), можно определить па­ раметр | 0:

|о=0,04-г 0,06 эв [318].

По экспериментальным данным отклонения проводи­ мости от закона Ома и рассчитанным значениям пара­

коэффициент а. Значение Ѳе можно также найти по эк­ спериментальной зависимости тока эмиссии от работы выхода, используя формулу (350). На рис. 78 приведе­ ны зависимости электронной температуры от приложен­ ной к пленке разности потенциалов. Стрелками указа-

тическое значение плотности тока на несколько поряд­ ков ниже экспериментального.

В работе Диттмера [323] исследована проводимость и электронная эмиссия островковых пленок золота, серебра, никеля, платины и предложена другая гипо­ теза для объяснения эмиссии. (В качестве подложки использовались стекла іпиреис). Островковые пленки получали не прямой конденсацией, а за счет нагрева джоулевым теплом при пропускании тока через скон-

/

/

-У / У у / / У / / / У 7 7 У У У / У У У Л

(+)в

Рис. 79. Схема структуры островковой пленки (а, б) и распределение потенциала (в) в опыте Диттмера [323]

размер ~ 7000 А, с межостровковыми (расстояниями то­

кие островки (~500 А), которые и являются центрами эмиссии. Таким образом источники эмиссии сосредото­ чены на локальном участке поверхности пленки (рис.

79, а и б).

Результаты измерения эмиссионного тока в зависи­ мости от напряжения приведены на рис. 80. Активиро­ вание пленки барием или цезием повышает интенсив-

Рис. 80. Вольтамперные характеристики тока прово­

260