Метод устранения емкостной и шумовой составляющих из регистрируемого сигнала в полевом эмиссионном эксперименте

Представлены новые способы устранения случайных и систематических ошибок, возникающих при регистрации вольтамперных характеристик полевых катодов в режиме быстрого сканирования высоким напряжением. Методы реализованы в среде графического программирования LabVIEW и интегрированы в программное обеспечение экспериментальной установки, которая регистрирует и обрабатывает данные полевой эмиссии в режиме реального времени. Разработанная программа состоит из трех модулей. Первый устраняет влияние постоянной наводки на сигналы тока и напряжения. Второй модуль устраняет систематическую ошибку синусоидальной формы, связанную с наличием емкости в измерительной цепи. Третий модуль уменьшает влияние на сигнал шумов, связанных с измерительным оборудованием, а также флуктуациями эмиссионной активности катода. Результирующая вольтамперная характеристика подвергается обработке в полулогарифмических координатах с применением уравнения Мерфи–Гуда. В результате обработки получаются значения эффективных параметров. Тестовый эксперимент был проведен с полевым катодом на основе многостенных углеродных нанотрубок, выращенных химическим осаждением из газовой фазы с использованием плазмы (метод PECVD). Методика также применялась для корректной оценки эмиссионных свойств катодов различного типа: на основе углеродных наночастиц, регулярных матриц острий и одноострийных катодов.  

1. Kyritsakis A, Djurabekova F. A general computational method for electron emission and thermal effects in field emitting nanotips. Computational Materials Science. 2017;128:15-21. DOI:10.1016/j.commatsci.2016.11.010

2. Allaham MM, Knápek A, Mousa MS, Forbes RG. User-friendly method for testing field electron emission data: technical report. In: Proceedings - 34th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC), 05-09 July 2021, Lyon, France: IEEE; 2021. pp. 1-2. DOI:10.1109/IVNC52431.2021.9600769

3. Chubenko O, Baturin SS, Kovi KK, Sumant AV, et al. Locally resolved electron emission area and unified view of field emission from ultrananocrystalline diamond films. ACS Applied Materials & Interfaces. 2017; 9(38):33229-33237. DOI:10.1021/acsami.7b07062

4. Kopelvski MM, Galeazzo E, Peres HEM, Ramirez-Fernandez FJ, et al. Potentialities of a new dedicated system for real time field emission devices characterization: a case study. In: Proceedings - 4th International Symposium on Instrumentation Systems, Circuits and Transducers (INSCIT), 26-30 August 2019, Sao Paulo, Brazil: IEEE; 2019. p. 1-5. DOI:10.1109/inscit.2019.8868705

5. Gotoh Y, Kawamura Y, Niiya T, Ishibashi T, et al. Derivation of length of carbon nanotube responsible for electron emission from field emission characteristics. Applied Physics Letters. 2007;90(20). DOI:10.1063/1.2740199

6. Reichert I, Olney P, Lahmer T. Influence of the error description on model-based design of experiments. Engineering Structures. 2019;193:100-109. DOI:10.1016/j.engstruct.2019.05.002

7. Ayari A, Vincent P, Perisanu S, Poncharal P, et al. Is the linear relationship between the slope and intercept observed in field emission S-K plots an artifact? Journal of Vacuum Science & Technology B. 2024;42(5). DOI:10.1116/6.0003828

8. Funayama K, Tanaka H, Hirotani J, Shimaoka K, et al. Noise modeling in field emission and evaluation of the nano-receiver in terms of temperature. IEEE Access. 2019;7:57820-57828. DOI:10.1109/access.2019.2913692

9. Persaud A. Analysis of slope-intercept plots for arrays of electron field emitters. Journal of Applied Physics. 2013;114(15). DOI:10.1063/1.4825051

10. Ji X, Yutong S, Yongjiao S, Wenxin Y, et al. Study on electrical properties and structure optimization of side-gate nanoscale vacuum channel transistor. Journal of Physics D: Applied Physics. 2020;53(13):135301. DOI:10.1088/1361-6463/ab642f

11. Di Bartolomeo A, Giubileo F, Iemmo L, Romeo F, et al. Leakage and field emission in side-gate graphene field effect transistors. Applied Physics Letters. 2016;109(2). DOI:10.1063/1.4958618

12. Koochack Zadeh M, Hinrichsen V, Kuivenhoven S. Measurement of field emission current during switching of capacitive current in vacuum. Proceedings – International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, ISDEIV (2010), 30 August 2010 – 03 September 2010, Braunschweig, Germany: IEEE; 2010. p. 249-252. DOI:10.1109/deiv.2010.5625786

13. Arkhipov AV. Hysteresis of pulsed characteristics of field emission from nanocarbon films. Technical Physics. 2005;50(10):1353. DOI:10.1134/1.2103285

14. Popov EO, Kolosko AG, Filippov SV, Terukov EI, et al. Comparison of macroscopic and microscopic emission characteristics of large area field emitters based on carbon nanotubes and graphene. Journal of Vacuum Science & Technology B. 2020;38(4):043203.. DOI:10.1116/6.0000072

15. Kitsyuk EP, Vasilevskaya YO, Volovlikova OV, Eganova EM, et al. Catalytic particles formation from thin nickel films for the synthesis of multi-walled carbon nanotubes. Carbon. 2024;229:119509. DOI:10.1016/j.carbon.2024.119509

16. Popov EO, Kolosko AG, Filippov SV. A test for compliance with the cold field emission regime using the elinson-schrednik and forbes-deane approximations (Murphy-good plot). Technical Physics Letters. 2020;46(9):838-842. DOI:10.1134/s1063785020090096

17. Kolosko AG, Filippov SV, Popov EO. Influence of current-voltage characteristic processing methods on the value of effective parameters of field cathodes. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State. 2023; 65(12):2162. DOI:10.61011/FTT.2023.12.56749.5126k (In Russ.)

18. Jarvis JD, Andrews HL, Brau CA, Choi BK, et al. Adsorbate modification of emission from diamond field emitters and carbon nanotubes. In: Proceedings of the 2009 Free-Electron Laser Conference, 23-28 August 2009, Liverpool, UK.

19. Popov EO, Kolosko AG, Chumak MA, Filippov SV. Ten approaches to define the field emission area. Technical Physics. 2019;64(10):1530-1540. DOI:10.1134/s1063784219100177

20. Djuzhev NA, Demin GD, Filippov NA, Evsikov ID, et al. Development of technological principles for creating a system of microfocus X-ray tubes based on silicon field emission nanocathodes. Technical Physics. 2019;64(12): 1742-1748. DOI:10.1134/s1063784219120053

21. Masalov SA, Popov EO, Kolosko AG, Filippov SV, et al. Liquid-metal field electron source based on porous gap. Technical Physics. 2017;62(9):1424-1430. DOI: 10.1134/s1063784217090171