Details

Работа посвящена исследованию процессов низковольтной полевой электронной эмиссии из композиционных наноструктур и разработке физических и математических моделей, описывающих эмиссионную способность и электростатику композиционных наноструктур типа «пористый кремний – углеродная пленка». Цель работы – формирование систематизированной теоретической базы и разработка прецизионных алгоритмов для анализа эмиссионных характеристик и извлечения структурных параметров низковольтных полевых эмиттеров. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: изучены и систематизированы физические основы квантовомеханического туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер Шоттки-Нордгейма в атомной системе единиц (enfq); проведен сравнительный анализ классической модели Фаулера-Нордгейма и современной модели Мерфи-Гуда, обоснованы преимущества линеаризованного метода графиков Мерфи-Гуда (Murphy-Good plot) для низковольтной эмиссии; разработан и реализован программный комплекс на языке Python для моделирования эмиссионных характеристик и прецизионного извлечения параметров эмиттеров; проведен анализ экспериментальных вольт-амперных характеристик структуры Mo на Si-подложке и выполнена верификация разработанного алгоритма с использованием современной эмпирической модели Ли. В результате исследования разработан и реализован в среде PyQt6 кроссплатформенный программный комплекс. На основе разработанного итерационного алгоритма линеаризации вольт-амперных характеристик в модифицированных координатах Murphy-Good Plot проведена обработка экспериментальных данных автоэмиссии структуры Mo/Si с использованием метода наименьших квадратов. В результате исследования успешно извлечены физически достоверные параметры экспериментального эмиттера: фактор геометрического усиления поля β = 4050 (что соответствует безразмерному коэффициенту усиления β0≈4050) и эффективная площадь эмиссии Ae=1.17⋅10-20 м2. Проведена верификация модели путем сопоставления с теоретическими оценками на основе эмпирической модели Ли, подтвердившая высокую физическую адекватность разработанного метода идентификации. Результаты работы могут быть применены для бесконтактной диагностики и проектирования перспективных низковольтных катодов вакуумной наноэлектроники. В процессе работы использовались следующие информационные технологии: язык программирования Python 3.10, библиотека PyQt6 для разработки графического интерфейса пользователя, библиотеки SciPy и NumPy для проведения численного интегрирования и математических расчетов, библиотека Matplotlib для визуализации результатов, а также текстовый процессор Microsoft Word для оформления диссертационного исследования.

Object of study is the processes of low-voltage field electron emission from composite nanostructures, and the subject is physical and mathematical models describing the emission capability and electrostatics of composite nanostructures of the "porous silicon – carbon film" type. The aim is to form a systematized theoretical basis and develop high-precision algorithms for analyzing emission characteristics and extracting structural parameters of low-voltage field emitters. The following tasks were solved: the physical foundations of quantum-mechanical electron tunneling through the Schottky-Nordheim potential barrier in the atomic system of units (enfq) were studied and systematized; a comparative analysis of the classical Fowler-Nordheim model and the modern Murphy-Good model was carried out, and the advantages of the linearized Murphy-Good plot method for low-voltage emission were justified; a software package in Python was developed and implemented for modeling emission characteristics and precise extraction of emitter parameters; an analysis of the experimental current-voltage characteristics of the Mo on Si substrate structure was performed, and the developed algorithm was verified using the modern empirical Li model. As a result of the study, a cross-platform software package was developed and implemented in the PyQt6 environment. Based on the developed iterative algorithm for linearizing current-voltage characteristics in modified Murphy-Good Plot coordinates, experimental field emission data of the Mo/Si structure were processed using the least squares method. As a result of the study, physically plausible parameters of the experimental emitter were successfully extracted: the field enhancement factor β = 4050 (corresponding to a dimensionless enhancement factor β0≈4050) and the effective emission area Ae=1.17⋅10-20 m2. Model verification was performed by comparison with theoretical estimates based on the empirical Li model, confirming the high physical adequacy of the proposed identification method. The results of the work can be applied for non-contact diagnostics and design of promising low-voltage cathodes for vacuum nanoelectronics. In the course of the work, the following information technologies were used: Python 3.10 programming language, PyQt6 library for user graphical interface development, SciPy and NumPy libraries for numerical integration and mathematical calculations, Matplotlib library for visualization of results, and Microsoft Word text processor for formatting the dissertation research.