Halbleiternanostrukturen sind aufgrund ihrer Dimensionen geeignete Kandidaten für verschiedene Feldemissionsanwendungen. In dieser Arbeit wurden sowohl Feldemissionskathoden aus verschiedenen Halbleitermaterialien (Silizium, Galliumnitrid und Graphit) sowie mit neuartigen Materialien, wie z.B. Nanodrähten aus Platin sowie ein- und zweidimensionalen Nanostrukturen aus Übergangs-Dichalkogeniden, realisiert und in Diodenkonfiguration integral charakterisiert. Der Emissionsstrom hängt zwar von der Austrittsarbeit ab, jedoch konnte gezeigt werden, dass er nicht entscheidend von dieser beeinflusst wird. Materialien mit einer hohen Leitfähigkeit und mit vielen Strukturen im Nanometerbereich, wie z.B. metallischen Nanodrähte, strukturiertes Graphit oder hochdotiertes n-Typ Silizium, erreichen grundsätzlich höhere Emissionsströme bei gleichen Spannungswerten als halbleitende Nanostrukturen aus den Übergangs-Dichalkogeniden oder strukturiertes Galliumnitrid. Einige Kathoden zeigten eine Stromlimitierung und mit Berechnungen konnte gezeigt werden, dass sich die effektive Austrittsarbeit durch das eingedrungene elektrische Feld verändert.
Ferner wurden miniaturisierte Feldemissionselektronenquellen aus Silizium mit segmentierten, individuell regelbaren Emittern realisiert. Damit konnte der komplexe Aktivierungs- bzw. Konditionierungsprozess jedes einzelnen Emitters bei der integralen Inbetriebnahme veranschaulicht werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass nur eine Einzelregelung die jeweilige Emittercharakteristik aufrechterhält. Ein ungeregelter Betrieb führt zu einer Degradation der dominierenden Strukturen und so zu einer gleichmäßigeren Stromaufteilung des Gesamtstromes. Eine Regelung des Gesamtstromes erlaubt dabei ein Aufrechterhalten der Gesamtcharakteristik.
Aktualisiert: 2022-06-09
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Für den Einsatz in einer Elektronenquelle wird in den meisten Fällen auf konventionelle Glühkathoden zurückgegriffen, die sich durch eine einfache und kostengünstige Realisierbarkeit auszeichnen. Allerdings weisen diese thermischen Elektronenemitter Nachteile hinsichtlich des Leistungsverbrauchs, der thermischen Belastbarkeit und der Trägheit des Systems durch Heiz- und Kühlprozesse auf. Eine Alternative dazu bietet die Feldemission, bei der unter dem Einfluss eines hohen elektrischen Feldes eine kalte Elektronenemission aus scharfkantigen Kathoden einsetzen kann.
Diese Arbeit zeigt die Herstellung der Emitterstrukturen mittels Si-basierter Mikroelektronik-Technologie und die Realisierung einer kompakten und miniaturisierten Elektronenquelle. Durch die Verwendung von innovativen Mikro- und Nanofabrikationsmethoden konnten dazu verschiedene Siliziumkathoden mit Spitzenradien im Nanometer-Bereich entwickelt werden. Neben der Kathode besteht die hybrid aufgebaute Elektronenquelle aus einem dielektrischen Abstandshalter und einem mikrotechnologisch hergestellten Si-Extraktionsgitter.
In der Publikation wird das Emissionsverhalten der hergestellten Feldemitter im Ultrahochvakuum detailliert untersucht. Zusammen mit dem Kooperationsunternehmen Ketek GmbH in München konnte gezeigt werden, dass sich diese Feldemissionselektronenquelle in einem Röntgenaufbau hervorragend für die Erzeugung von Röntgenphotonen eignet. Mit einem Regelungsmechanismus konnte eine ausgezeichnete Stabilität des Emissionsstroms und geringe Fluktuationen der resultierenden Röntgenphotonenzählrate von < 1%, selbst bei einem erhöhten Restgasdruck von ca. 10-5 mbar, erreicht werden. Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchungen konnte ein erster Demonstrator einer miniaturisierten Feldemissionsröntgenquelle für spektroskopische Materialuntersuchungen realisiert werden.
Aktualisiert: 2020-10-01
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