В. Д. Фролов *, С. М. Пименов, В. І. Конов Інститут загальної фізики РАН 119991, Москва, вул. Вавилова 38 * E-mail: frolov@ran.gpi.ru В. І. Кузькін Інститут нанотехнології 105184 Москва, Б. Татарська вул., 38

Анотація Методами скануючої тунельної мікроскопії / спектроскопії (СТМ / СТС) проведено дослідження електронних властивостей вуглецевих наночасток. Наночастки холмообразние нанооб’єктів сформовані з різними розмірами і конфігурацією на поверхні алмазоподібної вуглецевої плівки в присутності хлорорганічного адсорбата за допомогою СТМ-літографа. Головним результатом досліджень є виявлення ефекту зниження поверхневого потенціалу електронів зі зменшенням характерного розміру нанооб’єктів.

I. Вступ

Рис. 2. СТМ карти областей поверхні зразка, що містять окремі нанооб’єктів: (а), (Ь) представляють, відповідно, рельєф поверхні і електронний потенціал області, яка містить нанооб’єктів висотою -40 Нм; (с), (d) показує такі картки у випадку нанооб’єктів висотою ~ 3 нм. Вставка на кожній з карт демонструє її перетин, зроблене вздовж пунктирної лінії

L, пт

Fig. 2. STM maps of surface areas of a sample containing individual nanoobjects: (a), (b) are respectively the surface relief and electron potential for the region containing an individual nanoobject with a height of~40nm; (c), (d) are those of the region containing a ~3nm high nanoobject. Inserts in each map shows their cross-section (made along dotted lines)

Ця кореляція проілюстрована на рис. 2, де представлена ​​топографія двох різних ділянок поверхні і їх зображення в потенційному контрасті. Карти (а), (Ь) показують, відповідно, рельєф поверхні і розподіл поверхневого електронного потенціалу для області, яка містить нанооб’єктів висотою Н ~ 40 нм; а карти (с), (d) розподілу цих параметрів у випадку нанооб’єктів висотою Н ~ 3 нм. Вставка на кожній з карт показує її профіль з відповідного перерізу (відзначено пунктирною лінією). Як видно з порівняння карт, для нанооб’єктів висотою Н ~ 40 нм (рис. 1) поверхневий потенціал вище, ніж у вихідної плівки, а зменшення висоти нанооб’єктів до 3 нм (рис. 2) призводить до драматичних змін його електронного потенціалу: він стає нижче рівня потенціалу плівки. Експериментальні Ці вимоги про S-Н залежності, зняті на нанооб’єктів з різною висотою представлені на рис. 2 (відзначені квадратами). Середній рівень електронного потенціалу поверхні плівки показаний тут штриховою лінією.

Fig. 3. The nanoobject surface electron potential S vs height H

На додаток, на рис. 3 наведені дані про SH залежності, отримані усередненням результатів серії сканувань вздовж пологого схилу «штучного» формування, створеного шляхом «малювання» лінії з нанооб’єктів з безперервно зменшується заввишки. Характерні профілі рельєфу та поверхневого потенціалу електронів для цього випадку демонструються на рис. 4.

Fig. 4. Comparative relief (h) and surface electron potential (S) profiles obtained by scanning the probe across the smooth-slope formation

Очевидно, що обидві представлені на рис. 2 залежності мають однаковий характер: при великих Н потенціал S знаходиться за рівнем поблизу насичення, і починаючи з Н ~ 15 нм величина S різко падає зі зменшенням Н таким чином, що вона ставати менше за рівнем, ніж потенціал підкладки.

III. Висновок

Отже, можна констатувати, що ефект зниженою розмірності вуглецевих частинок впливає на їх поверхневий електронний потенціал і, отже, на вірогідність емісії електронів. Таке властивість вуглецевих наночасток представляє великий інтерес не тільки з точки зору фундаментальних знань про властивості вуглецевих сполук, але також з огляду перспектив практичного застосування таких елементів в різних електронних приладах, наприклад, як точкових джерел електронів для електронних мікроскопів, електронних голографічних пристроїв, систем квантової логіки, ефективних фотокатодов.

Дана робота виконана в рамках проекту РФФМ № 02-02-16725.

IV. Список літератури

[1]  V. D. Frolov et ai JETP Letters 62 (11) (1995) 881-886.

[2]  V. D. Frolov etal. J. Phys. D: Apll. Phys. 32 (1999) 815-819.

EFFICIENT DECREASE OF POTENTIAL BARRIER FOR TUNNELING ELECTRONS FROM CARBON NANOSTRUCTURES

Frolov V. D. *, PimenovS. М., KonovV. I.

General Physics Institute of RAS 38 Vavilova Str., Moscow, Russia, 119991 *e-mail: frolov@ran.gpi.ru Kuzkin V. I.

Institute of Nanotechnology of ICF 38 Bolshaya Tatarskaya Str., Moscow, Russia, 105184

Abstract The paper examines low-dimensional effects in the process of electron emission from carbon nanoparticles using the data obtained by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) techniques. The nanoparticles hill-shaped nanoobjects are generated in various sizes and configurations on a diamond-like carbon film surface in the presence of organochloric adsorbate using an STMlithographer. It has been established that the electron surface potential barrier decreases for smaller nanoobject heights.

I.  Introduction

Using a scanning tunneling microscope lithographer we have focused on a correlation between dimensions and surface electron potentials of carbon-containing nanoparticles formed on a diamond-like carbon film surface [1]. In contrast to ‘selforganized’ carbon nanostructures which are mostly uncontrolled systems, such nanoobjects may be controllably ‘drawn’ on a surface in various sizes and configurations. It is significant that this kind of nanostructures is suitable for examination utilizing a high-resolution STM technique.

II.  Experiment

The diamond-like 2-5nm thick a-C:H films were grown on Al203 substrates covered with Cr layers using a voltageenhanced chemical vapor deposition (VECVD) technique. The structural properties of a-C:H films were explored with a Solver P47 scanning probe microscope manufactured by the NT-MDT company (Russia).

Surfaces of the samples were modified using the Luch-2 STM-lithographer specially designed for nanolithography processing in chemically active vapor environments (produced at the Nanotechnology Institute, Russia). In order to generate nanoobjects with required sizes and configurations, 3-10V voltage pulses with a 0.01 -1 ms duration and polarity corresponding to that of the electron flow from the sample were applied between the STM probe and the electrical contact to the sample in the presence of Ar-C2HCI3 gas-vapor mixture. This STMlithography process is described in [1]. The STM-lithographer was also used for the in situ examination ofthe surfaces ofthe sample with a 0.3nm resolution. This setup was additionally implemented in the assessment of the nanoobject electroconductivity. The procedure for the electroconductivity estimation utilizing STMs is described elsewhere [2].

The STM mapping of the original a-C:H films reveals protrusions of 20-1 OOnm lateral dimensions irregularly positioned along the sample surface. The average protrusion height was found to be about 3nm. A fine structure ofthe original film surface is presented in Fig. 1. As may be seen from Fig. 1, no obvious correlation between these distributions is observed. The STM also indicates quasi-linear, symmetrical l-V characteristics with the slope (conductivity) G~500GQ’1 for the whole surface area tested, suggesting the conductivity to be caused by the electron tunneling through the ultra-thin a-C:H layer.

The STM impact on the substrate results in the emergence of a hill-shaped nanoobject with a 10-1 OOnm lateral dimensions and 3-40nm heights, depending on the pulse voltage regime. The nanoobject conductivity is estimated at G>1 GQ’1 (Us<100mV, 1=0.1 nA), which is sufficient for a controlled mapping ofthe modified surface using the STM. The most important result of the nanoobject examination is that the value of the surface potential barrier for the electron tunneling from the nanoobject into the probe is found to correlate with the nanoobject height. This correlation may be noticed in Fig. 2, where STM images for two regions are shown. The maps (a) and (b) correspond to the surface relief and electron potential for the region containing an individual nanoobject with a 40nm height, while the maps (c) and (d) are for the region containing a 3nmhigh nanoobject. Inserts in each map show cross-sections (marked by dotted lines). As follows from the comparison between the maps, decreasing the height H from 40nm to 3nm leads to dramatic changes in S: the potential drops below the level ofthe a-C:H film potential. Fig. 3 displays the scatter ofthe S-H data for a series of such nanoobjects (marked by squares). The average surface electron potential for a-C:H film is shown dashed. As indicated in the plot, S definitely tends to drop with decreasing H. In addition, Fig. 3 displays the averaged S-H curve (marked by dashed-dotted line) obtained for a series of scans made across plateaus of an artificial structure generated on the substrate by ‘drawing’ a line of nanoobjects with continuously decreasing heights. This situation is demonstrated in Fig.

4,  where comparative profiles of the sample surface relief (h) and electron potential (S) made along the same scan line are shown for the same structure.

It is evident that the S-H dependences viewed in Fig. 3 show a similar behavior. Therefore it may be stated that the impact of low-dimension carbon particles strongly influences the process of emission from the nanoobjects investigated.

III.   Conclusion

Hill-shaped carbon nanoparticles of various sizes generated on the a-C:H film surface under the influence ofthe STM probe in the presence ofthe C2HCI3 adsorbate have been explored by means of an STM technique. It has been established that the surface electron potential was decreasing with smaller heights of nanoobjects. This feature of the ‘artificial’ carbon-containing nanoparticles is of great interest not only in terms of thorough knowledge but also in view of practical applications in various electronic devices including electron point sources, efficient photocathodes, etc.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.