Halbleiternanostrukturen als Feldemissionskathoden für miniaturisierte Elektronenquellen

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.