RU2400858C1 - Method of producing graphene nano-ribon fet - Google Patents

Method of producing graphene nano-ribon fet Download PDF

Info

Publication number
RU2400858C1
RU2400858C1 RU2009141427/07A RU2009141427A RU2400858C1 RU 2400858 C1 RU2400858 C1 RU 2400858C1 RU 2009141427/07 A RU2009141427/07 A RU 2009141427/07A RU 2009141427 A RU2009141427 A RU 2009141427A RU 2400858 C1 RU2400858 C1 RU 2400858C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
emitters
layers
film
elements
Prior art date
Application number
RU2009141427/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Яковлевич Принц (RU)
Виктор Яковлевич Принц
Сергей Владимирович Мутилин (RU)
Сергей Владимирович Мутилин
Сергей Владиславович Голод (RU)
Сергей Владиславович Голод
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН)
Priority to RU2009141427/07A priority Critical patent/RU2400858C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2400858C1 publication Critical patent/RU2400858C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering. ^ SUBSTANCE: film flat components comprising form-building and functional graphene layers are first fabricated. Note here that said flat film elements are formed on substrate with required spatial arrangement over substrate area, primarily, regular arrangement. Then said flat film elements are separated from substrate and transformed into emitters with preset 3D spatial configuration. Transformation is performed by mechanical internal strains introduced into form-building layers either in producing film flat elements or in transformation, or in their separation and transformation in emitters. ^ EFFECT: uniform emission of electrons over emitters range, required electron emission density, its controllability, scalability of emitter sizes, optimised emitter outline shape and controlled emission current of every emitter. ^ 16 cl, 9 dwg, 7 ex

Description

Изобретение относится к вакуумным электронным приборам и может быть использовано для разработки технологии и при изготовлении устройств для получения электронного потока - холодных эмиттеров на основе углерода.The invention relates to vacuum electronic devices and can be used to develop technology and in the manufacture of devices for producing an electron beam - cold emitters based on carbon.

Эффективные источники холодной полевой эмиссии электронов в перспективе имеют огромную область применения - от электронно-лучевых мониторов до миниатюрных источников рентгеновского излучения и источников света. Плоские мониторы на основе углеродных эмиттеров могут вытеснить в ближайшем будущем жидкокристаллические мониторы. Миниатюрные источники рентгеновского излучения на основе углеродных эмиттеров займут свое место в сканирующих системах неразрушающего контроля гражданского и военного применения, в частности: в системах, предназначенных для медицины; в системах обеспечения безопасности; в системах контроля качества продукции и производственных процессов. В сфере разработки и создания микроэлектроники ожидается их применение в установках электронной микроскопии и литографии (альтернативные источники).Effective sources of cold field emission of electrons in the future have a huge field of application - from electron beam monitors to miniature X-ray sources and light sources. Flat emitter-based monitors may supplant liquid crystal monitors in the near future. Miniature X-ray sources based on carbon emitters will take their place in the scanning systems of non-destructive testing of civil and military applications, in particular: in systems intended for medicine; in security systems; in product quality control systems and production processes. In the field of development and creation of microelectronics, their application in electron microscopy and lithography (alternative sources) is expected.

Известен способ формирования графеновых полевых эмиттеров (патент США №6593683, МПК: 7 H01J 1/02), заключающийся в том, что осуществляют зажигание разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродосодержащей добавкой, нагревают подложку и осаждают углеродную фазу на подложку, расположенную на аноде, причем зажигают разряд с плотностью тока 0,15÷0,5 А/см2, а осаждение проводят в смеси водорода с парами этилового спирта или метана при полном давлении 50÷300 Торр и нагреве подложки до 600÷900°С, при концентрации паров этилового спирта 5÷10% и концентрации метана 15÷30%.A known method of forming graphene field emitters (US patent No. 6593683, IPC: 7 H01J 1/02), which consists in the fact that they carry out the ignition of a direct current discharge in a mixture of hydrogen with a carbon-containing additive, heat the substrate and deposit the carbon phase on a substrate located on the anode moreover, a discharge is ignited with a current density of 0.15 ÷ 0.5 A / cm 2 , and the deposition is carried out in a mixture of hydrogen with ethyl alcohol or methane vapors at a total pressure of 50 ÷ 300 Torr and heating the substrate to 600 ÷ 900 ° C, at a concentration vapors of ethyl alcohol 5 ÷ 10% and concentration m tana 15 ÷ 30%.

В частном случае, осаждение проводят при разбавлении газовой смеси инертным газом с содержанием до 75% при сохранении полного давления.In the particular case, the deposition is carried out by diluting the gas mixture with an inert gas with a content of up to 75% while maintaining full pressure.

Известен также способ формирования графеновых полевых эмиттеров (патент РФ №2161838, МПК: 7 H01J 9/02), заключающийся в том, что осуществляют зажигание СВЧ-разряда с поглощаемой мощностью 5÷50 Вт/см3 в смеси углекислого газа и метана в соотношении 0,8÷1,2 при давлении 20÷100 Торр, а осаждение углеродной фазы на подложку проводят при температуре поверхности подложки 500÷700°С.There is also a method of forming graphene field emitters (RF patent No. 2161838, IPC: 7 H01J 9/02), which consists in the fact that they carry out the ignition of a microwave discharge with an absorbed power of 5 ÷ 50 W / cm 3 in a mixture of carbon dioxide and methane in the ratio 0.8 ÷ 1.2 at a pressure of 20 ÷ 100 Torr, and the deposition of the carbon phase on the substrate is carried out at a substrate surface temperature of 500 ÷ 700 ° C.

К недостаткам приведенных аналогов относится неоднородность эмиссии электронов по массиву эмиттеров, отсутствие возможности достижения задания требуемой плотности эмиссии электронов и, как следствие, управляемости эмиссии, невозможность масштабирования размеров изготавливаемых эмиттеров, невозможность оптимизации формы эмиттеров (иерархической структуры), отсутствие управляемости током эмиссии каждого из эмиттеров. Причины недостатков заключаются в следующем.The disadvantages of the above analogues include the heterogeneity of electron emission over the array of emitters, the inability to achieve the desired electron emission density and, as a consequence, the controllability of the emission, the inability to scale the size of the fabricated emitters, the inability to optimize the shape of the emitters (hierarchical structure), the lack of controllability of the emission current of each emitter . The reasons for the shortcomings are as follows.

При изготовлении графеновых полевых эмиттеров используют газотранспортную эпитаксию, проведение которой приводит к самоформированию неупорядоченно расположенных на подложке графеновых чешуек произвольной формы, каждая из которых содержит произвольное количество монослоев графена. Указанные чешуйки графена образуют массив. Некоторая часть чешуек ориентирована вертикально и выполняет функцию полевых эмиттеров. Процессу изготовления свойствено: неконтролируемость, произвольность, размеров чешуек, их толщины; неконтролируемое, беспорядочное расположение чешуек по площади подложки, то есть полная неуправляемость процесса самоформирования. В результате, с одной стороны, - различные величины электрического поля у вершин эмиттеров и, как следствие, неоднородность эмиссии электронов, невозможность задания требуемой плотности эмиссии электронов и ее управляемости, отсутствие управляемости током отдельных эмиттеров. С другой стороны, неуправляемость процесса самоформирования обуславливает отсутствие возможности масштабирования размеров изготавливаемых эмиттеров и оптимизации формы эмиттеров (иерархической структуры).In the manufacture of graphene field emitters, gas transport epitaxy is used, which leads to the self-formation of randomly arranged graphene flakes of arbitrary shape on the substrate, each of which contains an arbitrary number of graphene monolayers. These graphene flakes form an array. Some of the flakes are oriented vertically and serve as field emitters. The manufacturing process is characterized by: uncontrollability, randomness, size of flakes, their thickness; uncontrolled, disordered arrangement of flakes over the substrate area, that is, complete uncontrollability of the self-formation process. As a result, on the one hand, there are different values of the electric field at the vertices of the emitters and, as a consequence, the heterogeneity of electron emission, the impossibility of setting the required electron emission density and its controllability, the lack of current controllability of individual emitters. On the other hand, the uncontrollability of the self-formation process leads to the inability to scale the size of manufactured emitters and optimize the shape of emitters (hierarchical structure).

В качестве ближайшего технического решения выявлен способ формирования графеновых полевых эмиттеров (Wu Z.-S., Pei S.F., Ren W., Tang D., Gao L., Liu В., Li F., Liu C., and Cheng H.-M. «Field Emission of Single-Layer Graphene Films Prepared by Electrophoretic Deposition» // Adv. Mater. - 2009. - V.21. - P.P.1756-1760), заключающийся в том, что проводят химическое отшелушивание графита, получая частицы графена размером менее 30 мкм и в количестве до 80%, содержащих монослой графена, после чего проводят электрофоретическое осаждение, включающее два этапа: на первом этапе приготавливают жидкофазную суспензию, содержащую частицы графена, частицы электрически заряжают, на втором этапе заряженные частицы осаждают на поверхность проводящего электрода. Для получения стабильной графеновой суспензии частицы, полученные отшелушиванием, помещают в изопропиловый спирт и обрабатывают ультразвуком в течение 1 часа. Далее частицы графена положительно заряжают, добавляя Mg(NO3)2·6H2O. Весовое соотношение частиц графена и добавки Mg(NO3)2·6H2O - 1:1. В результате такой обработки получают однородную стабильную суспензию Mg2+-абсорбированных частиц графена. Приготовленную суспензию Mg2+-абсорбированных частиц графена вводят в сосуд из полиметилметакрилата в качестве электролита. В качестве положительно заряженного электрода используют подложку из нержавеющей стали, в качестве отрицательно заряженного электрода используют стеклянную пластину, покрытую окисью индия-титана. Расстояние между двумя электродами устанавливают 5 мм. Подают напряжение 100÷160 В. При подаче напряжения положительно заряженные частицы графена мигрируют к отрицательно заряженному электроду и осаждаются на его поверхности с формированием массива частиц графена, закрепляясь на нем за счет адгезивных свойств, обеспечиваемых присутствием Mg2+. В результате формируют массив случайно ориентированных, разупорядоченных частиц графена. Некоторые из них обладают пространственной ориентацией, совпадающей с нормалью электрода, являющегося подложкой, вытарчивая за ее поверхность, и выполняют, таким образом, функцию эмиттеров.As the closest technical solution, a method for forming graphene field emitters (Wu Z.-S., Pei SF, Ren W., Tang D., Gao L., Liu B., Li F., Liu C., and Cheng H. -M. "Field Emission of Single-Layer Graphene Films Prepared by Electrophoretic Deposition" // Adv. Mater. - 2009. - V.21. - PP1756-1760), which consists in the chemical exfoliation of graphite, obtaining particles of graphene less than 30 microns in size and up to 80%, containing a graphene monolayer, after which electrophoretic deposition is carried out, which includes two stages: at the first stage, a liquid-phase suspension containing graphene particles is prepared, h Particles are electrically charged; in the second stage, charged particles are deposited on the surface of a conductive electrode. To obtain a stable graphene suspension, the particles obtained by exfoliation are placed in isopropyl alcohol and sonicated for 1 hour. Then the graphene particles are positively charged by adding Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O. The weight ratio of graphene particles and the addition of Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O is 1: 1. As a result of this treatment, a uniform stable suspension of Mg 2+ -absorbed graphene particles is obtained. The prepared suspension of Mg 2+ -absorbed graphene particles is introduced into the vessel from polymethyl methacrylate as an electrolyte. A stainless steel substrate is used as a positively charged electrode, and a glass plate coated with indium titanium oxide is used as a negatively charged electrode. The distance between the two electrodes is set to 5 mm. A voltage of 100 ÷ 160 V is applied. When a voltage is applied, positively charged graphene particles migrate to the negatively charged electrode and settle on its surface with the formation of an array of graphene particles, fixing on it due to the adhesive properties provided by the presence of Mg 2+ . As a result, an array of randomly oriented, disordered graphene particles is formed. Some of them have a spatial orientation that coincides with the normal of the electrode, which is the substrate, protruding beyond its surface, and thus perform the function of emitters.

К недостаткам приведенного ближайшего технического решения относится неоднородность эмиссии электронов по массиву эмиттеров, отсутствие возможности достижения задания требуемой плотности эмиссии электронов и, как следствие, управляемости эмиссии, невозможность масштабирования размеров изготавливаемых эмиттеров, невозможность оптимизации формы эмиттеров (иерархической структуры), отсутствие управляемости током эмиссии каждого из эмиттеров. Причины недостатков заключаются в следующем.The disadvantages of the nearest technical solution include the heterogeneity of electron emission over the array of emitters, the inability to achieve the desired electron emission density and, as a consequence, the controllability of the emission, the inability to scale the size of the fabricated emitters, the inability to optimize the shape of the emitters (hierarchical structure), the lack of controllability of the emission current of each from emitters. The reasons for the shortcomings are as follows.

При изготовлении графеновых полевых эмиттеров используют неуправляемые процессы, с отсутствием контроля расположения на подложке графеновых частиц, контроля их формы, и, строго говоря, контроля толщины частиц или количества монослоев графена в частицах. С одной стороны, в результате - различные величины электрического поля у вершин эмиттеров и, как следствие, неоднородность эмиссии электронов, невозможность задания требуемой плотности эмиссии электронов и ее управляемости, отсутствие управляемости током отдельных эмиттеров. С другой стороны, неуправляемость процессов, отсутствие контроля, обуславливает отсутствие возможности масштабирования размеров изготавливаемых эмиттеров и оптимизации формы эмиттеров (иерархической структуры).In the manufacture of graphene field emitters, uncontrolled processes are used, with no control over the location of graphene particles on the substrate, no control over their shape, and, strictly speaking, no control over the thickness of particles or the number of graphene monolayers in the particles. On the one hand, the result is different electric field values at the vertices of the emitters and, as a result, the heterogeneity of electron emission, the impossibility of setting the required electron emission density and its controllability, and the lack of current controllability of individual emitters. On the other hand, the uncontrollability of processes, the lack of control, determines the lack of the ability to scale the size of manufactured emitters and optimize the shape of emitters (hierarchical structure).

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

- достижение однородности эмиссии электронов по массиву эмиттеров;- achieving uniformity of electron emission over an array of emitters;

- достижение задания требуемой плотности эмиссии электронов, управляемость эмиссии;- achievement of the task of the required electron emission density, emission controllability;

- достижение масштабируемости размеров изготавливаемых эмиттеров;- achieving scalability in the size of manufactured emitters;

- возможность оптимизации формы эмиттеров (иерархической структуры);- the ability to optimize the shape of emitters (hierarchical structure);

- достижение управляемости током эмиссии каждого из эмиттеров.- achieving controllability of the emission current of each of the emitters.

Технический результат достигается в способе формирования графеновых полевых эмиттеров, заключающемся в том, что изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои, при этом плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади, затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои либо при изготовлении пленочных плоских элементов, либо при трансформации, либо при отделении и трансформации плоских элементов в эмиттеры, причем материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.The technical result is achieved in the method of forming graphene field emitters, which consists in the fact that they produce film flat elements containing the forming and functional graphene layers, while flat film elements are formed on the substrate with the desired location along its area, then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses, which are introduced into the shape these layers either in the manufacture of film flat elements, or in the transformation, or in the separation and transformation of flat elements into emitters, and the material, geometry of the film elements and internal mechanical stresses are selected in the manufacture of film elements providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action internal mechanical stresses in emitters, which are precision located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric in size.

В способе при формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки,In the method, when forming flat film elements on the substrate containing the forming and functional graphene layers, all the structural layers of the emitter are fabricated, while using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the contours of the emitter, the emitter circuit being formed providing partial separation from the substrate,

В способе в качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении пленочных плоских элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев, или полимерные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при отделении и трансформации или трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, проводимой с использованием температур и длительности, вызывающих деформацию полимерного материала.In the method, solid-state layers are used as forming layers, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of film flat elements due to the difference in the constant crystal lattices of materials of solid-state layers, or polymer layers, into which internal mechanical stresses are introduced during separation and transformation or transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment carried out using temperatures and duration that cause deformation of the polymer material iala.

В способе при термообработках используют температуры от 150 до 200°С, а длительность выбирают исходя из заданной пространственной конфигурации эмиттеров.In the method, heat treatment uses temperatures from 150 to 200 ° C, and the duration is selected based on the given spatial configuration of the emitters.

В способе требуемое расположение плоских пленочных элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.In the method, the required arrangement of flat film elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology — lithographically.

В способе в качестве материала подложки выбирают высокоориентированный пиролитический графит, или полупроводниковый материал А3В5 - GaAs, или полупроводниковый материал IV группы таблицы Д.И.Менделеева - Si.In the method, highly oriented pyrolytic graphite, or semiconductor material A 3 B 5 —GaAs, or semiconductor material of group IV of the table of D. I. Mendeleev — Si, is selected as the substrate material.

В способе в качестве материала формообразующих твердотельных механически напряженных слоев эмиттеров выбирают SiGe/Si, или InGaAs/GaAs, или SiO2/Ni, или SiGe/Si/SiO2/Ni, а в качестве материала формообразующих полимерных слоев эмиттеров, в которые вводят механические внутренние напряжения при трансформации или при отделении и трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, выбирают полиметилметакрилат.In the method, SiGe / Si, or InGaAs / GaAs, or SiO 2 / Ni, or SiGe / Si / SiO 2 / Ni are selected as the material of the forming solid-state mechanically stressed layers of the emitters, and the material of the forming polymer layers of the emitters into which mechanical internal stresses during transformation or during separation and transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment, choose polymethyl methacrylate.

В способе в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный на подложке-доноре и перенесенный на формообразующие слои, предварительно сформированные на подложке GaAs или Si, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный непосредственно на формообразующих слоях, предварительно сформированных на подложке GaAs или Si.In the method, a surface layer of a highly oriented pyrolytic graphite substrate is used as a functional graphene layer, or a graphene layer grown on a donor substrate and transferred to formative layers previously formed on a GaAs or Si substrate, or as a functional graphene layer is used as a functional graphene layer layer use a graphene layer grown directly on the forming layers, pre-formed on a GaAs or Si substrate.

В способе в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный на подложке-доноре и перенесенный на формообразующие слои, предварительно сформированные на подложке GaAs или Si, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный непосредственно на формообразующих слоях, предварительно сформированных на подложке GaAs или Si.In the method, a surface layer of a highly oriented pyrolytic graphite substrate is used as a functional graphene layer, or a graphene layer grown on a donor substrate and transferred to formative layers previously formed on a GaAs or Si substrate, or as a functional graphene layer is used as a functional graphene layer layer use a graphene layer grown directly on the forming layers, pre-formed on a GaAs or Si substrate.

В способе толщину пленочного плоского элемента задают от 10-8 до 10-7 м.In the method, the thickness of the film flat element is set from 10 -8 to 10 -7 m

В способе при последующем отделении пленочных плоских элементов от подложки или при последующем отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой.In the method, during the subsequent separation of the film flat elements from the substrate or during the subsequent separation of the film flat elements from the substrate and their transformation under the influence of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby providing an arrangement of emitters above the substrate.

В способе на подложке предварительно выращивают жертвенный слой, отделение пленочных плоских элементов осуществляют путем бокового селективного травления жертвенного слоя.In the method, the sacrificial layer is preliminarily grown on the substrate, the separation of the film flat elements is carried out by selective lateral etching of the sacrificial layer.

В способе отделение пленочных плоских элементов осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления.In the method, the separation of film flat elements is carried out by selective etching of a substrate using anisotropy of etching.

В способе в качестве материала жертвенного слоя используют AlAs.In the method, AlAs is used as the material of the sacrificial layer.

В способе в жертвенном слое для обеспечения возможности его бокового селективного травления формируют литографически окна глубиной до подложки.In the method, in the sacrificial layer, to enable lateral selective etching, lithographic windows are formed with a depth of up to the substrate.

В способе при изготовлении пленочных плоских элементов, в которых в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, подложку травят на глубину нескольких атомарных слоев.In the method, in the manufacture of film flat elements in which a surface layer of a substrate of highly oriented pyrolytic graphite is used as a functional graphene layer, the substrate is etched to the depth of several atomic layers.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемьми фигурами. На Фиг.1 представлена иллюстрация принципа прецизионного задания пространственной криволинейной конфигурации эмиттеров: а) твердотельные слои материалов с разными постоянными кристаллических решеток в свободном состоянии; б) сопряжение слоев на подложке с помощью псевдоморфного эпитаксиального роста; в) отделение слоев от подложки под действием внутренних механических напряжений при боковом селективном травлении жертвенного слоя с расположением отделенной части вне подложки, где 1 - подложка InP; 2 - формообразующий слой InAs; 3 - формообразующий слой GaAs; 4 - жертвенный слой AlAs. На Фиг.2 схематически показан результат литографического изготовления в многослойной пленке графен/Si/SiGe окон, определяющих геометрию пленочных элементов, регулярно расположенных на подложке, и задающих возможность отделения пленочных элементов от связи с подложкой при трансформации в эмиттеры с прецизионно одинаковой пространственной конфигурацией и геометрическими размерами; окна выполнены в виде сходящихся под углом отрезков, образующих «елочку», расположенных друг относительно друга на одинаковом расстоянии, между окнами-отрезками расположены пленочные элементы. На Фиг.3 схематически показан результат отделения изготовленных литографически в многослойной пленке графен/Si/SiGe пленочных плоских элементов и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой. На Фиг.4 представлена схематическая иллюстрация графеновых эмиттеров, «загнутых» механически напряженными формообразующими слоями до достижения плоскости, параллельной плоскости подложки (горизонтальные эмиттеры); электроны в микровакуумных приборах эмитируются к аноду в плоскости, параллельной подложке. На Фиг.5 показана фотография результата экспериментальной реализации графеновых эмиттеров с формообразующими слоями SiGe/Si регулярного «елочного» расположения на подложке; окна выполнены в виде сходящихся под углом плотно расположенных отрезков, образующих «елочку», электронной литографией. На Фиг.6 показана фотография результата экспериментальной реализации графеновых эмиттеров с формообразующими слоями SiGe/Si, в которых верхушки иглообразных эмиттеров выполнены с геометрической конфигурацией в виде буквы «М»; фотография иллюстрирует простейший случай иерархической структуры эмиттеров. На Фиг.7 показана фотография плотного массива графеновых полевых эмиттеров, полученного при литографическом изготовлении в содержащей конструктивные слои пленочной структуре крестообразного рисунка окон, определяющих геометрию пленочных плоских элементов, регулярно расположенных на подложке, и задающих возможность отделения пленочных элементов от связи с подложкой при трансформации в эмиттеры с прецизионно заданной пространственной «юг»-«запад»-«север»-«восток» конфигурацией и геометрическими размерами. На Фиг.8 показана фотография массива графеновых полевых эмиттеров с прецизионно заданной пространственной «юг»-«запад»-«север»-«восток» конфигурацией и геометрическими размерами; между рядами эмиттеров расположены рядами площадки (на фотографии светлые участки), на которых имеется возможность формировать в подложке управляющие эмиттерами элементы интегральной схемы. На Фиг.9 показаны фотографии результата экспериментальной реализации графеновых эмиттеров с формообразующими слоями SiGe/Si регулярного «елочного» расположения на подложке; окна выполнены в виде сходящихся примерно под прямым углом расположенных отрезков, образующих «елочку», оптической литографией: а) изображение отдельного эмиттера; б) изображение массива эмиттеров.The invention is illustrated by the following description and the accompanying figures. Figure 1 presents an illustration of the principle of precision setting the spatial curvilinear configuration of emitters: a) solid-state layers of materials with different constant lattices in the free state; b) the conjugation of layers on a substrate using pseudomorphic epitaxial growth; c) the separation of layers from the substrate under the action of internal mechanical stresses during selective lateral etching of the sacrificial layer with the location of the separated part outside the substrate, where 1 is the InP substrate; 2 - InAs forming layer; 3 - GaAs forming layer; 4 - sacrificial layer of AlAs. Figure 2 schematically shows the result of lithographic manufacturing in a multilayer graphene / Si / SiGe film of windows that determine the geometry of the film elements regularly located on the substrate, and which determine the possibility of separation of the film elements from communication with the substrate during transformation into emitters with a precisely identical spatial configuration and geometric size; the windows are made in the form of segments converging at an angle, forming a "herringbone", located relative to each other at the same distance, film elements are located between the windows-segments. Figure 3 schematically shows the result of separating film-shaped flat elements manufactured lithographically in a multilayer graphene / Si / SiGe film and transforming them under the influence of internal mechanical stresses into emitters located precisely above the substrate. Figure 4 presents a schematic illustration of graphene emitters, "bent" by mechanically strained forming layers to reach a plane parallel to the plane of the substrate (horizontal emitters); Electrons in microvacuum devices are emitted to the anode in a plane parallel to the substrate. Figure 5 shows a photograph of the result of the experimental implementation of graphene emitters with forming SiGe / Si layers of a regular "Christmas tree" arrangement on a substrate; the windows are made in the form of densely spaced segments converging at an angle, forming a "herringbone", by electronic lithography. Figure 6 shows a photograph of the result of the experimental implementation of graphene emitters with forming SiGe / Si layers, in which the tips of the needle-shaped emitters are made with a geometric configuration in the form of the letter "M"; The photo illustrates the simplest case of the hierarchical structure of emitters. Figure 7 shows a photograph of a dense array of graphene field emitters obtained by lithographic production of a cross-shaped pattern of windows in the film structure containing structural layers defining the geometry of film flat elements regularly located on the substrate and specifying the possibility of separating the film elements from communication with the substrate during transformation into emitters with a precisely defined spatial “south” - “west” - “north” - “east” configuration and geometric dimensions. On Fig shows a photograph of an array of graphene field emitters with a precisely defined spatial "south" - "west" - "north" - "east" configuration and geometric dimensions; between the rows of emitters there are rows of pads (light areas in the photo), on which it is possible to form integrated circuit elements controlling emitters in the substrate. Figure 9 shows photographs of the result of the experimental implementation of graphene emitters with SiGe / Si forming layers of a regular "Christmas tree" arrangement on a substrate; the windows are made in the form of optical lithography converging approximately at right angles to the “herringbone” segments: a) image of a separate emitter; b) image of an array of emitters.

Общеизвестно, что наиболее перспективными являются эмиттеры на основе углерода. На протяжении последних пятнадцати лет непрерывно ведутся разработки по созданию эмиттеров на основе углеродных нанотрубок.It is well known that the most promising are emitters based on carbon. Over the past fifteen years, developments have been continuously ongoing to create emitters based on carbon nanotubes.

Графен, как объект, с которым можно работать, появился 5 лет назад. В 2009 году стало ясно, что с помощью существующих ростовых методов можно получать достаточно однородные слои графена на больших площадях и относительно дешевым способом - эпитаксией из газовой фазы (Kim К.S., Zhao Y., Jang H., Lee S.Y., Kim J.M., Kim K.S., Ahn J.-H., Kim P., Choi J.-Y., Hong B.H. «Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes» // Nature. - 2009. - V.457. - P.07719; Alfonso Reina, Xiaoting Jia, John Ho, Daniel Nezich, Hyungbin Son, Vladimir Bulovic, Mildred S. Dresselhaus and Jing Kong «Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition» // Nano Lett., 2009 v.9 (1) p.p.30-35; Alfonso Reina, Stefan Thiele, Xiaoting Jia, Sreekar Bhaviripudi, Mildred S. Dresselhaus, Juergen A. Schaefer and Jing Kong «Growth of Large-Area Single- and Bi-Layer Graphene by Controlled Carbon Precipitation on Polycrystalline Ni Surfaces» // Nano. Res., (2009), 2: p.p.509-516). Это побуждает серьезно рассматривать пленки графена в качестве базового объекта для изготовления различных приборов промышленной технологией.Graphene, as an object with which you can work, appeared 5 years ago. In 2009, it became clear that using existing growth methods, it is possible to obtain fairly uniform graphene layers over large areas and in a relatively cheap way - by epitaxy from the gas phase (Kim K.S., Zhao Y., Jang H., Lee SY, Kim JM , Kim KS, Ahn J.-H., Kim P., Choi J.-Y., Hong BH "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes" // Nature. - 2009. - V.457. - P.07719; Alfonso Reina, Xiaoting Jia, John Ho, Daniel Nezich, Hyungbin Son, Vladimir Bulovic, Mildred S. Dresselhaus and Jing Kong "Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition" // Nano Lett., 2009 v.9 (1) pp30-35; Alfonso Reina, Stefan Thiele, Xiaoting Jia, Sreekar Bhaviripudi, Mildred S. Dresselhaus, Juergen A. Schaefer and Jing Kong “Growth of Large-Area Single- and Bi-Layer Graphene by Controlled Carbon Precipitation on Polycrystalline Ni Surfaces ”// Nano. Res., (2009), 2: p.p.509-516). This leads to seriously consider graphene films as a basic object for the manufacture of various devices by industrial technology.

Очевидно, что холодная полевая эмиссия из монослойной пленки графена представляет большой интерес и обладает перспективой в отношении создания эмиттеров.It is obvious that cold field emission from a monolayer graphene film is of great interest and has the prospect of creating emitters.

Задача получения графеновых пленок большой площади на подложках практически решена с помощью транспортной газовой эпитаксии. Однако задача создания на подложке из плоских слоев графена массивов эмиттеров, расположенных пространственно над подложкой, до сих пор не рассматривалась. Эта задача интересна тем, что ее решение - создание плотного массива графеновых эмиттеров со строго заданными размерами и расположением в пространстве, устраняет проблемы, связанные с использованием для формирования эмиттеров углеродных трубок.The problem of obtaining graphene films of a large area on substrates has practically been solved using transport gas epitaxy. However, the problem of creating arrays of emitters spatially above the substrate on a substrate from flat graphene layers has not yet been considered. This problem is interesting in that its solution - the creation of a dense array of graphene emitters with strictly specified dimensions and location in space, eliminates the problems associated with the use of carbon tubes for forming emitters.

Ключевая проблема производства плоских экранов, источников рентгеновского излучения и других устройств, базирующихся на использовании холодных эмиттеров на основе углеродных трубок, - достижение однородности эмиссии по площади, высокой плотности элементов, обеспечивающей желаемую плотность эмиссии. До сих пор нет методики изготовления прецизионных в вертикальном направлении игл или трубок, выполняющих функцию эмиттеров. В то же время, к настоящему моменту уже разработан метод получения графена на больших площадях, более 200 см2. Используя методику выращивания слоев графена из углеводородов, гарантированно получают слои на шайбе размером 10×10 см2. Более того, очевидно, что можно вырастить слой графена на гораздо большей площади, что является предпосылкой для возможности создания высокоформатных плоских мониторов или дисплеев нового поколения.A key issue in the production of flat screens, X-ray sources, and other devices based on the use of cold emitters based on carbon tubes is the achievement of uniformity of emission over the area, high density of elements, providing the desired emission density. There is still no methodology for the manufacture of vertical precision needles or tubes that act as emitters. At the same time, to date, a method for producing graphene over large areas, more than 200 cm 2, has already been developed. Using the method of growing graphene layers from hydrocarbons, it is guaranteed to obtain layers on a washer measuring 10 × 10 cm 2 . Moreover, it is obvious that a layer of graphene can be grown on a much larger area, which is a prerequisite for the possibility of creating high-format flat-panel monitors or displays of a new generation.

В предлагаемом техническом решении форма эмиттеров задается литографией. Для реализации самых разнообразных массивов эмиттеров берется традиционная одноуровневая фотолитография и/или нанолитография. Нанолитография до 2009 года рассматривалась как дорогостоящий технологический инструмент, работающий с очень малыми площадями (порядка нескольких см2). Однако создание к настоящему времени непрерывной штамповой импринт-литографии позволяет быстро и дешево формировать литографические рисунки на огромных площадях. В работе (Ahn S.H., Guo L.J., «Large Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: a Step Toward High-Throughput Application of Continuous Nanoimprinting» // ACSNANO. - 2009. - V.3(8). - P.P.2304-2310) сообщается о возможности осуществления уже непрерывной наноимпринт-литографии. Применение такой литографии делает реальным изготовление с помощью предлагаемого способа дешевых графеновых дисплеев метровых или многометровых размеров. Отметим, что процесс выращивания графена из газовой фазы также относится к дешевым процессам и может быть осуществлен на больших площадях.In the proposed technical solution, the shape of the emitters is given by lithography. To implement the most diverse arrays of emitters, a traditional single-level photolithography and / or nanolithography is taken. Until 2009, nanolithography was considered as an expensive technological tool working with very small areas (of the order of several cm 2 ). However, the creation by now of continuous stamped imprint lithography makes it possible to quickly and cheaply form lithographic drawings in vast areas. In (Ahn SH, Guo LJ, “Large Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: a Step Toward High-Throughput Application of Continuous Nanoimprinting” // ACSNANO. - 2009. - V.3 (8 ). - PP2304-2310) the possibility of already continuous nanoimprint lithography is reported. The use of such lithography makes it possible to manufacture, using the proposed method, cheap graphene displays of meter or multimeter sizes. Note that the process of growing graphene from the gas phase also belongs to low-cost processes and can be carried out on large areas.

С другой стороны, возможность реализации предлагаемого технического решения основывается на достижениях последних лет в области технологии тонких пленок.On the other hand, the feasibility of the proposed technical solution is based on the achievements of recent years in the field of thin film technology.

Нами предлагается способ, позволяющий преобразовать плоские графеновые пленки в хорошо организованный массив иглообразных и/или трубчатых эмиттеров. Предлагаемый способ стыкуется с хорошо развитой технологией интегральных схем. Способ позволяет осуществить полный контроль процессов формирования самых разнообразных конфигураций эмиттеров.We propose a method for converting flat graphene films into a well-organized array of needle-shaped and / or tubular emitters. The proposed method fits in with well-developed integrated circuit technology. The method allows for complete control of the processes of formation of the most diverse configurations of emitters.

Ожидается, что использование предлагаемого изобретения обеспечит формирование массивов графеновых эмиттеров, в частности, игольчатого типа заданной плотности, например, 108 см-2.It is expected that the use of the present invention will provide the formation of arrays of graphene emitters, in particular, needle-type type of a given density, for example, 10 8 cm -2 .

В предлагаемом способе формирования графеновых полевых эмиттеров достижение технического результата базируется на следующих предпосылках.In the proposed method for the formation of graphene field emitters, the achievement of a technical result is based on the following premises.

Во-первых, на возможности управляемого перехода от двумерных, плоских, пленочных элементов, представляющих собой заготовки эмиттеров, к трехмерным.Firstly, on the possibility of a controlled transition from two-dimensional, flat, film elements, which are emitter blanks, to three-dimensional ones.

Во-вторых, на возможности достижения требуемого расположения эмиттеров по площади, а также в пространстве, которое можно варьировать в широких пределах от строго регулярного до характеризуемого отсутствием какой-либо регулярности.Secondly, on the possibility of achieving the desired location of the emitters in area, as well as in space, which can vary widely from strictly regular to characterized by the absence of any regularity.

В-третьих, на возможности прецизионного задания размеров и формы эмиттеров.Thirdly, on the possibility of precision setting the size and shape of emitters.

В-четвертых, на использовании материалов и методов хорошо развитой планарной технологии изготовления интегральных схем.Fourth, the use of materials and methods of a well-developed planar technology for the manufacture of integrated circuits.

Слой графена или несколько слоев графена являются функциональными слоями в полевых эмиттерах электронов и обеспечивают эмиссию. Поэтому управление прецизионным расположением в пространстве эмиттеров в сочетании со строгим заданием их размеров и пространственных конфигураций открывает новые возможности как в использовании массивов эмиттеров, так и в достижении максимальной плотности и минимального порога эмиссии электронов.A graphene layer or several graphene layers are functional layers in electron field emitters and provide emission. Therefore, the control of the precise arrangement in the space of emitters in combination with the strict specification of their sizes and spatial configurations opens up new possibilities both in using arrays of emitters and in achieving a maximum density and a minimum threshold for electron emission.

Формирование эмиттеров начинают с изготовления содержащей конструктивные слои пленочной структуры, расположенной на подложке, методами и с использованием материалов планарной промышленной технологии полупроводниковых приборов. Эта технология также позволяет формировать прецизионные микро- и наноэлементы - пленочные плоские элементы, являющиеся заготовками эмиттеров, из исходной содержащей конструктивные слои пленочной структуры с заданной плотностью, с требуемым расположением на подложке и требуемой геометрической конфигурации (микро-, нанолитографические методы, включая импринт-литографию). Следующим этапом формирования эмиттеров является отсоединение пленочного плоского элемента от подложки и изменение его пространственной конфигурации под действием упругих сил, возникающих в результате наличия формообразующих слоев, в которые вводят внутренние механические напряжения и которые сопряжены со слоем графена. Механические внутренние напряжения вводят в формообразующие слои на стадии изготовления содержащей слои пленочной структуры или на стадии отсоединения и трансформации или трансформации пленочного плоского элемента, приводящих к изменению его пространственной конфигурации.The formation of emitters begins with the manufacture of a film-containing structure containing the structural layers located on the substrate by methods and using materials of planar industrial technology of semiconductor devices. This technology also allows the formation of precision micro- and nanoelements - film flat elements, which are emitter blanks, from the original film structure containing structural layers with a given density, with the required location on the substrate and the desired geometric configuration (micro-, nanolithographic methods, including imprint lithography ) The next step in the formation of emitters is to detach the film flat element from the substrate and change its spatial configuration under the action of elastic forces arising from the presence of forming layers into which internal mechanical stresses are introduced and which are coupled to a graphene layer. Mechanical internal stresses are introduced into the forming layers at the manufacturing stage of the film-containing film structure or at the stage of detachment and transformation or transformation of the film flat element, leading to a change in its spatial configuration.

Прецизионное задание пространственной конфигурации эмиттеров возможно, во-первых, на принципах формирования микро- и нанооболочек из плоских изначально напряженных гетеропленок, разработанных В.Я.Принцем с соавторами (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, M.A.Putato, T.A.Gavrilova «Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays». Physica E, 2000 v.6, N 1-4, p.p.828-831). Также прецизионное задание пространственной конфигурации эмиттеров возможно и при формировании микро-, нанооболочек из плоских пленок, изначально не обладающих внутренними механическими напряжениями, но которые могут быть введены в них после их выращивания на подложке посредством деформирующих обработок, например термообработок, вызывающих усадку материала. Иллюстрация принципа на примере формирования оболочки из плоской пленки твердотельных материалов, содержащей механически напряженные слои InAs и GaAs, показана на Фиг.1.A precise determination of the spatial configuration of emitters is possible, firstly, on the principles of the formation of micro- and nanoshells from planar initially strained heterofilms developed by V.Ya. Prinz et al. (V.Ya.Prinz, VASeleznev, A.K. Gutakovsky, AVChehovskiy , VV Preobrazenskii, MAPutato, TAGavrilova "Free-standing and overgrown InGaAs / GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays". Physica E, 2000 v.6, N 1-4, pp828-831). A precise determination of the spatial configuration of the emitters is also possible when micro- and nanoshells are formed from flat films that initially do not have internal mechanical stresses, but which can be introduced into them after they are grown on the substrate by means of deformation treatments, for example, heat treatments that cause material shrinkage. An illustration of the principle on the example of the formation of a shell from a flat film of solid materials containing mechanically stressed layers of InAs and GaAs is shown in FIG.

На подложке (1), например, из монокристаллического InP, предварительно покрытой жертвенным слоем (4) AlAs, изготавливают пленочный элемент, содержащий формообразующие механически напряженные слои (2) и (3), например InAs и GaAs, соответственно, (см. Фиг.1а)). Причем, в случае с приведенными материалами, слои (2)-(4) формируют путем эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, то есть каждый последовательно выращенный слой наследует постоянную решетку подложки (1) (см. Фиг.1б)). Поскольку в свободном состоянии постоянная решетка GaAs (5,654 Å) меньше, чем постоянная решетки InP (5,869 Å), как схематично показано на Фиг.1а), то формообразующий слой (3) GaAs является упруго растянутым, соответственно, формообразующий слой (2) InAs, имеющий в свободном состоянии большую постоянную решетки (6,058 Å), чем InP, является упруго сжатым. Упругие силы F1 и F2 в формообразующих слоях (2) и (3) (Фиг.1в)) пленочного элемента направлены в противоположные стороны и создают момент сил M, который стремится изогнуть пленку InAs/GaAs, но она жестко связана с подложкой (1) с помощью жертвенного слоя (4) и поэтому удерживается в плоском состоянии. При направленном боковом травлении жертвенного слоя (4) AlAs пленка из формообразующих слоев (2) и (3) отделяется от подложки (1) и под действием момента сил М упругих деформаций изгибается, приобретая форму, соответствующую минимальной энергии внутренних механических напряжений (Фиг.1в)). При этом радиус кривизны изгиба r воспроизводится с прецизионной точностью, поскольку он задан строго определенным относительным рассогласованием периодов кристаллических решеток δ и толщинами формообразующих слоев d1 и d2, которые при эпитаксиальном росте заданы с точностью до моноатомных слоевOn the substrate (1), for example, from a single-crystal InP, previously coated with a sacrificial layer (4) AlAs, a film element is made containing mechanically stressed layers (2) and (3), for example, InAs and GaAs, respectively (see Fig. 1a)). Moreover, in the case of the above materials, layers (2) - (4) are formed by epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, that is, each successively grown layer inherits a constant lattice of the substrate (1) (see Fig. 1b)). Since in the free state, the GaAs lattice constant (5.654 Å) is smaller than the InP lattice constant (5.869 Å), as schematically shown in Fig. 1a), the GaAs forming layer (3) is elastically stretched, respectively, the InAs forming layer (2) , which in the free state has a larger lattice constant (6.058 Å) than InP, is elastically compressed. The elastic forces F 1 and F 2 in the forming layers (2) and (3) (Fig. 1c)) of the film element are directed in opposite directions and create a moment of forces M, which tends to bend the InAs / GaAs film, but it is rigidly connected to the substrate ( 1) using the sacrificial layer (4) and therefore is kept in a flat state. With directed lateral etching of the sacrificial layer (4) AlAs, the film from the forming layers (2) and (3) is separated from the substrate (1) and bends under the action of the moment M of elastic deformation, acquiring a shape corresponding to the minimum energy of internal mechanical stresses (Fig.1c )). In this case, the radius of curvature of the bend r is reproduced with precision accuracy, since it is defined by a strictly defined relative mismatch of the periods of the crystal lattices δ and the thicknesses of the forming layers d 1 and d 2 , which are specified up to monoatomic layers during epitaxial growth

r=(1/6)·[(d1+d2)3(δd1d2)].r = (1/6) · [(d 1 + d 2 ) 3 (δd 1 d 2 )].

Аналогичная ситуация имеет место при выращивании пленки, содержащей формообразующие механически напряженные слои, непосредственно на подложке без жертвенного слоя, и отделении пленки от подложки путем селективного травления последней.A similar situation occurs when growing a film containing formatively mechanically stressed layers directly on a substrate without a sacrificial layer and separating the film from the substrate by selective etching of the latter.

Таким образом, прецизионное задание пространственной конфигурации эмиттеров, изготавливаемых с использованием твердотельных слоев, обеспечивается наличием в них механически напряженных формообразующих слоев (2) и (3) (см. Фиг.1в)) заданной толщины и состава. Создание указанных формообразующих слоев осуществляется на стадии формирования многослойного пленочного плоского элемента посредством широких возможностей планарной технологии.Thus, the precision setting of the spatial configuration of emitters made using solid-state layers is ensured by the presence of mechanically stressed forming layers (2) and (3) (see Fig. 1c) of a given thickness and composition. The creation of these formative layers is carried out at the stage of forming a multilayer film flat element through the wide possibilities of planar technology.

Для получения механически напряженных формообразующих слоев, обеспечивающих однородность толщины слоя и однородность механических напряжений по слою, используются такие методы планарной технологии, как эпитаксия, электрохимическое осаждение, вакуумное напыление. Отделяя пленочный элемент, содержащий напряженные формообразующие слои (2) и (3) (Фиг.1в)), от подложки (1), его трансформируют в оболочку с заданной локальной кривизной или, в более широком смысле, в оболочку с заданной пространственной конфигурацией, которую можно варьировать в широком диапазоне. Конкретная величина локальной кривизны оболочки, или конкретная пространственная конфигурация эмиттера, задается с высокой прецизионностью выбором внутренних напряжений между формообразующими слоями (2) и (3), толщинами и механическими свойствами материалов слоев.To obtain mechanically stressed formative layers providing uniformity of the layer thickness and uniformity of mechanical stresses across the layer, methods of planar technology such as epitaxy, electrochemical deposition, and vacuum deposition are used. Separating the film element containing the strained forming layers (2) and (3) (Fig. 1c)) from the substrate (1), it is transformed into a shell with a given local curvature or, more generally, into a shell with a given spatial configuration, which can be varied over a wide range. A specific value of the local curvature of the shell, or a specific spatial configuration of the emitter, is set with high precision by the choice of internal stresses between the forming layers (2) and (3), the thicknesses and mechanical properties of the materials of the layers.

Предлагаемый способ формирования графеновых полевых эмиттеров позволяет реализовать широкое разнообразие рисунков формообразующих и функциональных слоев эмиттеров при изготовлении пленочного элемента, а также использовать широкий круг материалов для изготовления конструктивных слоев эмиттеров с прецизионным подбором их толщин и внутренних механических напряжений с целью получения той или иной локальной кривизны, или той или иной пространственной конфигурации эмиттеров. Материалами для формообразующих слоев могут быть не только полупроводники, но также и проводящие материалы - металлы, и диэлектрические материалы. В работе (Nastaushev Yu. V., Prinz V. Ya., and Svitasheva S.N. «A technique for fabricating Au/Ti micro- and nanotubes». - Nanotechnology, 2005, 16, p.p.908-912) демонстрируется использование металлических слоев для формирования трубчатых конструкций по вышеописанному принципу. В отдельных случаях изготовления эмиттеров, например, для организации эффективного теплоотвода целесообразно использовать металлические формообразующие слои. В качестве диэлектрических материалов возможно использование полимеров. Двухслойная пленка, содержащая слой растянутого или сжатого полимера, также изгибается при отсоединении ее от подложки и трансформируется из плоского состояния в трехмерное с возможностью прецизионного задания ее пространственной конфигурации.The proposed method for the formation of graphene field emitters allows you to implement a wide variety of patterns of the forming and functional layers of the emitters in the manufacture of the film element, as well as use a wide range of materials for the manufacture of structural layers of emitters with a precise selection of their thicknesses and internal mechanical stresses in order to obtain one or another local curvature, or one or another spatial configuration of the emitters. Materials for forming layers can be not only semiconductors, but also conductive materials - metals, and dielectric materials. The work (Nastaushev Yu. V., Prinz V. Ya., And Svitasheva SN “A technique for fabricating Au / Ti micro- and nanotubes”. - Nanotechnology, 2005, 16, pp908-912) demonstrates the use of metal layers for forming tubular structures according to the above principle. In some cases, the manufacture of emitters, for example, to organize effective heat removal, it is advisable to use metal forming layers. As dielectric materials, the use of polymers is possible. A two-layer film containing a layer of a stretched or compressed polymer is also bent when it is disconnected from the substrate and is transformed from a flat state to a three-dimensional state with the possibility of precision setting its spatial configuration.

С другой стороны, формообразующий слой, изготовленный из полимерного материала, изначально может и не обладать внутренними механическими напряжениями, необходимыми для трансформации пленочного плоского элемента в оболочку. Их вводят, например, посредством термообработки, приводящей к усадке полимерного материала и возникновению упругих сил, подобных силам F1 и F2 (Фиг.1в)), создающим момент сил, стремящийся изогнуть пленку графен/полимер, которая либо частично уже свободна от подложки и находится в «подвешенном» плоском состоянии над подложкой, либо жестко связана с подложкой. В первом случае действующие упругие силы работают на изгибание освобожденного от связи с подложкой участка пленочного плоского элемента таким образом, что он начинает вытарчивать над подложкой, принимая требуемую для эмиттера пространственную конфигурацию. Во втором случае возникающие упругие силы работают на «отрыв» графенового слоя от подложки и изгибание пленочного плоского элемента, «отрываемого» от подложки. Под действием момента сил упругих деформаций пленочный плоский элемент изгибается, приобретая форму, соответствующую минимальной энергии внутренних механических напряжений. Радиус кривизны изгиба также воспроизводится с прецизионной точностью, поскольку он задан строго определенными температурами термообработок и их длительностью, материалом и толщинами формообразующих полимерных слоев.On the other hand, a forming layer made of a polymeric material may initially not have the internal mechanical stresses necessary for the transformation of a film flat element into a shell. They are introduced, for example, by heat treatment, leading to the shrinkage of the polymeric material and the emergence of elastic forces similar to the forces F 1 and F 2 (Fig. 1c), creating a moment of forces tending to bend the graphene / polymer film, which is either partially free from the substrate and is in a "suspended" flat state above the substrate, or is rigidly connected with the substrate. In the first case, the acting elastic forces work to bend the portion of the film flat element freed from communication with the substrate in such a way that it begins to protrude above the substrate, taking the spatial configuration required for the emitter. In the second case, the arising elastic forces work to “detach” the graphene layer from the substrate and bend the film flat element that is “detached” from the substrate. Under the action of the moment of elastic deformation forces, the film flat element bends, acquiring a shape corresponding to the minimum energy of internal mechanical stresses. The bending radius of curvature is also reproduced with precision accuracy, since it is defined by strictly defined heat treatment temperatures and their duration, material and thickness of the forming polymer layers.

В отношении адгезии или закрепления графеновых слоев на формообразующих слоях вопрос решается следующим образом.With regard to the adhesion or fixing of graphene layers on the forming layers, the question is solved as follows.

Во-первых, используя силы Ван-дер-Вальса, возможно закрепление слоя графена на полупроводниковых пленках. При этом слой графена остается в закрепленном состоянии при деформациях растяжения или сжатия, достигающих до 1%.First, using the forces of Van der Waltz, it is possible to fix a graphene layer on semiconductor films. In this case, the graphene layer remains in a fixed state under tensile or compression strains reaching up to 1%.

Во-вторых, использованием для закрепления наноклея. В частности, слой графена соединяют с формообразующими слоями посредством монослойного клея.Secondly, using for fixing nanoglue. In particular, the graphene layer is connected to the forming layers by means of a monolayer adhesive.

В-третьих, выращиванием слоев графена, сопряженными с формообразующими слоями. Так, известны методы выращивания слоев графена на металлических пленках, а также формирование слоя графена посредством испарения атомов Si из полупроводниковой пленки SiC.Thirdly, by growing graphene layers conjugated with the forming layers. Thus, methods are known for growing graphene layers on metal films, as well as the formation of a graphene layer by evaporation of Si atoms from a SiC semiconductor film.

В-четвертых, «вдавливанием» слоя графена в полимер при закреплении его на пленке полимера.Fourth, by “pressing” a graphene layer into the polymer while fixing it on the polymer film.

Наиболее простой вариант закрепления слоев графена и полимера - размещение графенового слоя между двумя полимерными слоями, снизу - сжатый, сверху - растянутый.The simplest option for fixing graphene and polymer layers is to place a graphene layer between two polymer layers, the bottom is compressed, and the top is stretched.

Предлагаемый способ формирования эмиттеров, в общем, состоит из двух этапов.The proposed method for forming emitters, in General, consists of two stages.

Содержание первого этапа заключается в формировании содержащих слои пленочных плоских элементов на подложке, являющихся заготовками эмиттеров. Причем элементы формируют на положке с требуемым расположением, в частном случае, регулярным. Указанные элементы содержат формообразующие и функциональные слои. Функциональными слоями являются слои графена. Формообразующие слои - это изначально механически напряженные твердотельные или полимерные слои, либо изначально механически не напряженные полимерные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения только после их изготовления, подвергая их дополнительным деформирующим обработкам. Материал, геометрию пленочного элемента и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими возможность отделения их от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой. При этом изготавливаемым эмиттерам задают прецизионно заданную, в частности, одинаковую пространственную конфигурацию и геометрические размеры. Результат выполнения первого этапа иллюстрирует Фиг.2.The content of the first stage consists in the formation of film-containing flat elements containing layers on the substrate, which are emitter blanks. Moreover, the elements are formed on the position with the desired location, in the particular case, regular. These elements contain formative and functional layers. Functional layers are graphene layers. Forming layers are initially mechanically strained solid-state or polymer layers, or initially mechanically unstressed polymer layers, into which internal mechanical stresses are introduced only after their manufacture, subjecting them to additional deforming treatments. The material, the geometry of the film element and internal mechanical stresses are selected to provide the possibility of separating them from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate. In this case, the emitters being manufactured are given a precisely defined, in particular, identical spatial configuration and geometric dimensions. The result of the first step is illustrated in FIG.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих, по крайней мере, один формообразующий и функциональный графеновый слой в их составе, изготавливают все конструктивные слои эмиттера. При использовании твердотельных слоев выращивают не менее двух формообразующих слоев, механически напряженных друг относительно друга. Причем функциональный слой может также одновременно быть и формообразующим. Толщину каждого слоя задают в пределах от нескольких микрон до одного атомного монослоя. В частном случае может быть выполнена последовательность формообразующих слоев (в предельном случае мономолекулярной или моноатомной толщины) с индивидуально заданными механическими напряжениями, таким образом, что данной последовательностью слоев образуется пленка, в поперечном направлении которой задан градиент продольных механических напряжений.When forming flat film elements on a substrate containing at least one form-forming and functional graphene layer in their composition, all emitter structural layers are made. When using solid-state layers, at least two forming layers are grown mechanically stressed relative to each other. Moreover, the functional layer can also be simultaneously forming. The thickness of each layer is set in the range from a few microns to one atomic monolayer. In the particular case, a sequence of forming layers (in the limiting case of a monomolecular or monoatomic thickness) can be performed with individually specified mechanical stresses, so that a film is formed by this sequence of layers, in the transverse direction of which a gradient of longitudinal mechanical stresses is specified.

Далее, посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, одновременно с этим задают требуемое расположение будущих эмиттеров по площади. Причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки и расположение вне плоскости подложки под действием внутренних механических напряжений, введенных в формообразующие слои при их изготовлении или после (см. Фиг.3-9). Простейшим рисунком для всех слоев пленочных плоских элементов может быть рисунок в виде «елочки», покрывающий всю поверхность подложки (см. Фиг.2-5, Фиг.9). Более сложный рисунок слоев, задающий контуры эмиттера, реализован при выполнении окон конфигурацией в виде буквы «М»;Further, by means of planar technology, lithographs are formed of layer patterns defining the contours of the emitter, at the same time, they set the required location of future emitters by area. Moreover, the emitter circuit is formed to provide its partial separation from the substrate and the location outside the plane of the substrate under the action of internal mechanical stresses introduced into the forming layers during their manufacture or after (see Figure 3-9). The simplest pattern for all layers of film flat elements can be a herringbone pattern covering the entire surface of the substrate (see Figs. 2-5, Fig. 9). A more complex pattern of layers defining the contours of the emitter is implemented when windows are configured in the form of the letter “M”;

пленочный плоский элемент имеет М-образную конфигурацию, а после отделения его от подложки и трансформации в эмиттер верхушка эмиттера имеет также М-образную конфигурацию (см. Фиг.6), при этом в массиве эмиттеры пространственно одинаково ориентированы и абсолютно одинаковы по всем прочим параметрам, а также строго регулярно расположены в отношении площади подложки. Другой сложный рисунок слоев, задающий контуры эмиттера, реализован при выполнении окон крестообразной формы; в каждой четверке изготовленные эмиттеры пространственно ориентированы по типу «юг»-«запад»-«север»-«восток», но при этом геометрические размеры и криволинейность эмиттеров одинаковы (см. Фиг.7 и 8). С использованием травления (традиционное химическое, плазменное) рисунок переносят на глубину, достаточную для образования в конструктивных слоях окон, обеспечивающих доступ селективного травителя к нижерасположенному материалу жертвенного слоя. Роль жертвенного слоя может выполнять подложка. Также частичное отделение пленочного плоского элемента может быть выполнено без травления жертвенного слоя или подложки, путем «отрыва» графенового слоя от подложки. В этом случае рисунок переносят на глубину нескольких атомарных слоев подложки высокоориентированного пиролитического графита. Глубина переноса рисунка задает толщину отделяемого слоя графена, являющегося конструктивным слоем эмиттера, от подложки.the film flat element has an M-shaped configuration, and after separating it from the substrate and transforming into an emitter, the top of the emitter also has an M-shape (see Fig. 6), while in the array the emitters are spatially identically oriented and absolutely identical in all other parameters , as well as strictly regularly located in relation to the area of the substrate. Another complex pattern of layers, defining the contours of the emitter, is implemented when executing cross-shaped windows; in each of the four manufactured emitters are spatially oriented according to the type “south” - “west” - “north” - “east”, but the geometric dimensions and curvature of the emitters are the same (see Fig. 7 and 8). Using etching (traditional chemical, plasma), the pattern is transferred to a depth sufficient to form windows in the structural layers that provide access to the selective etchant to the underlying material of the sacrificial layer. The role of the sacrificial layer can be performed by the substrate. Partial separation of the film flat element can be performed without etching the sacrificial layer or substrate, by “tearing” the graphene layer from the substrate. In this case, the pattern is transferred to the depth of several atomic layers of the substrate of highly oriented pyrolytic graphite. The depth of transfer of the pattern sets the thickness of the separated layer of graphene, which is the structural layer of the emitter, from the substrate.

В способе достаточно использования простой одноуровневой литографии. Среди более продвинутых литографических методов, нанолитографии, штамповая - наиболее простая и подходящая для массовой промышленной технологии. На сегодняшний день уровень развития техники штамповой технологии таков, что рабочее состояние штампа сохраняется при его использовании для формирования в резисте 1 млн оттисков, что обеспечивает дешевизну литографии.In the method, it is sufficient to use simple single-level lithography. Among the more advanced lithographic methods, nanolithography, stamping is the simplest and most suitable for mass industrial technology. Today, the level of development of the stamp technology is such that the working state of the stamp is preserved when it is used to form 1 million prints in the resist, which ensures low cost lithography.

Содержание второго этапа заключается в отделении пленочных плоских элементов от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией (см. Фиг.3-9). Конкретная трехмерная пространственная конфигурация изготавливаемых эмиттеров задается на первом этапе при изготовлении содержащей формообразующие и функциональные слои пленки, из которой литографически формируют пленочные плоские элементы (см. Фиг.2). Контуры пленочных плоских элементов - заготовок эмиттеров, в частном случае, образуют на подложке рисунок в виде «елочки».The content of the second stage is to separate the film flat elements from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration (see Figure 3-9). A specific three-dimensional spatial configuration of the manufactured emitters is specified at the first stage in the manufacture of a film containing the forming and functional layers of the film, from which film flat elements are lithographically formed (see Figure 2). The contours of film flat elements - blanks of emitters, in a particular case, form a “herringbone” pattern on the substrate.

Важно еще раз подчеркнуть, что предлагаемый способ формирования графеновых полевых эмиттеров стыкуется с технологией интегральных схем, что позволяет изготавливать управляющее эмиссией устройство в интегральном исполнении с массивом эмиттеров или, более того, в интегральном исполнении с каждым из эмиттеров. В частности, массив эмиттеров может быть изготовлен в виде иерархической структуры с возможностью выбора подачи управляющего напряжения к определенным эмиттерам массива (см. Фиг.6, Фиг.8).It is important to emphasize once again that the proposed method for the formation of graphene field emitters is integrated with integrated circuit technology, which makes it possible to produce an emission control device in integrated design with an array of emitters or, moreover, in integrated design with each of the emitters. In particular, the array of emitters can be made in the form of a hierarchical structure with the ability to select the supply of control voltage to specific emitters of the array (see Fig.6, Fig.8).

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of a technical result, we give the following implementation examples.

Пример 1Example 1

На подложке GaAs с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при изготовлении пленочных плоских элементов. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a GaAs substrate with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses that are introduced into the forming layers in the manufacture of film flat elements. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, не строго регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, not strictly regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении плоских пленочных элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев.As the forming layers, solid-state layers are used, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of flat film elements due to the difference in the constant crystal lattices of the materials of the solid-state layers.

В качестве материала механически напряженных твердотельных слоев, являющихся формообразующими эмиттеров, выбирают In0,2Ga0,8As/GaAs.As the material of mechanically strained solid-state layers, which are the forming emitters, choose In 0.2 Ga 0.8 As / GaAs.

Толщину пленочного плоского элемента задают 10-7 м.The thickness of the film flat element set 10 -7 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке сначала формируют указанные формообразующие слои в последовательности - из In0,2Ga0,8As, и затем из GaAs, с толщиной слоев 9 нм, после чего на последний переносят освобожденный от связи с подложкой слой графена, который предварительно выращивают на пленке никеля и отсоединяют от нее в селективном травителе - 30% растворе FeСl3.In the manufacture of a film flat element on a substrate, these formative layers are first formed in a sequence of In 0.2 Ga 0.8 As, and then from GaAs, with a layer thickness of 9 nm, after which a graphene layer freed from bond with the substrate is transferred, which is preliminarily grown on a nickel film and disconnected from it in a selective etchant — a 30% FeCl 3 solution.

Формообразующий слой In0,2Ga0,8As формируют сжатым относительно подложки в результате псевдоморфного роста. За счет анизотропии модуля Юнга при отделении от подложки пленочного плоского элемента энергетически наиболее выгодно изгибание слоев при трансформации в пространственную конфигурацию эмиттеров в кристаллографических направлениях типа <010>.The In 0.2 Ga 0.8 As forming layer is formed compressed relative to the substrate as a result of pseudomorphic growth. Due to the anisotropy of the Young's modulus when separating the film flat element from the substrate, it is energetically most advantageous to bend the layers upon transformation into the spatial configuration of emitters in crystallographic directions of the type <010>.

Литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <010>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем жидкостного травления с использованием травителя на основе ортофосфорной кислоты.Lithographically form layer patterns defining the contours of the emitter in the form of an angle with a vertex oriented along the <010> direction. Lithographic windows defining the patterns of the layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits-segments, forming an angle with the apex along the indicated direction, are made by liquid etching using an etchant based on phosphoric acid.

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Для этого на подложке предварительно выращивают жертвенный слой, отделение пленочных элементов с трансформацией начинают с угла, который образован щелями-отрезками, и осуществляют путем бокового селективного травления жертвенного слоя. В качестве материала жертвенного слоя используют AlAs. Жертвенный слой AlAs толщиной 20 нм формируют псевдоморфно, перед выращиванием формообразующих слоев. В жертвенном слое для обеспечения возможности его бокового селективного травления формируют литографически окна глубиной до подложки. Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и трансформации их в эмиттеры.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precision located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. To do this, the sacrificial layer is preliminarily grown on the substrate, the separation of the film elements with transformation is started from the angle that is formed by the slits-segments, and is carried out by side selective etching of the sacrificial layer. AlAs is used as the material of the sacrificial layer. A 20 nm thick AlAs sacrificial layer is formed pseudomorphically before growing the forming layers. In the sacrificial layer, to enable lateral selective etching, lithographic windows with a depth of up to the substrate are formed. Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and transforming them into emitters.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

Пример 2Example 2

На подложке слаболегированного Si с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при изготовлении пленочных плоских элементов. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a substrate of lightly doped Si with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses that are introduced into the forming layers in the manufacture of film flat elements. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении плоских пленочных элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев.As the forming layers, solid-state layers are used, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of flat film elements due to the difference in the constant crystal lattices of the materials of the solid-state layers.

В качестве материала механически напряженных твердотельных слоев, являющихся формообразующими эмиттеров, выбирают Si0,8Ge0,2/Si. Формообразующие слои сильно легированы бором до концентрации 1020 см-3.As the material of mechanically strained solid-state layers, which are the forming emitters, choose Si 0.8 Ge 0.2 / Si. Forming layers are heavily doped with boron to a concentration of 10 20 cm -3 .

Толщину пленочного плоского элемента задают 6,2·10-8 м.The thickness of the film flat element set 6.2 · 10 -8 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке сначала формируют указанные формообразующие слои в последовательности - из Si0,8Ge0,2, и затем из Si, толщиной, соответственно, 12 нм и 50 нм, после чего на последний переносят, «приклеивают» по известному методу (Hailiang Wang, Xinran Wang, Xiaolin Li, Hongjie Dai «Chemical Self-Assembly of Graphene Sheets», Nano Res (2009) 2: 336-342), освобожденный от связи с подложкой слой графена, который предварительно выращивают на подложке никеля и отсоединяют от нее в селективном травителе - 30% растворе FeCl3.In the manufacture of a film flat element on a substrate, these formative layers are first formed in a sequence of Si 0.8 Ge 0.2 , and then Si, 12 nm and 50 nm thick, respectively, and then “glued” to the last the well-known method (Hailiang Wang, Xinran Wang, Xiaolin Li, Hongjie Dai "Chemical Self-Assembly of Graphene Sheets", Nano Res (2009) 2: 336-342), a layer of graphene that was previously grown on a nickel substrate, freed from bonding and disconnected from it in a selective etchant - 30% solution of FeCl 3 .

Формообразующий слой Si0,8Ge0,2 формируют сжатым относительно подложки в результате псевдоморфного роста. За счет анизотропии модуля Юнга при отделении от подложки пленочного плоского элемента энергетически наиболее выгодно изгибание слоев при трансформации в пространственную конфигурацию эмиттеров в кристаллографических направлениях типа <100>.The forming layer of Si 0.8 Ge 0.2 is formed compressed relative to the substrate as a result of pseudomorphic growth. Due to the anisotropy of the Young's modulus when separating the film flat element from the substrate, it is energetically most advantageous to bend the layers upon transformation into the spatial configuration of emitters in crystallographic directions of the <100> type.

Литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <110>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем реактивно-ионного травления с использованием: для слоя графена плазмохимического травления в О2; для сильнолегированных бором слоев SiGe/Si реактивно-ионного травления в CF4+O2.Lithographically form layer patterns defining the contours of the emitter in the form of an angle with a vertex oriented along the <110> direction. Lithographic windows defining the patterns of the layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits-segments forming an angle with the apex along the indicated direction, are made by reactive-ion etching using: for a layer of graphene plasma-chemical etching in O 2 ; for heavily doped with boron SiGe / Si reactive-ion etching in CF 4 + O 2 .

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных элементов начинают с вершины угла, который образован щелями-отрезками, и осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления, в растворе аммиака (NH4OH:H2O - 1:5). Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и трансформации их в эмиттеры.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precision located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. The separation of the film elements begins from the top of the angle, which is formed by slits, segments, and is carried out by selective etching of the substrate using etching anisotropy in a solution of ammonia (NH 4 OH: H 2 O - 1: 5). Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and transforming them into emitters.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

Приведенные примеры реализации способа относятся к изготовлению эмиттеров микронных размеров. При изготовлении эмиттеров нанометрового размера проводят дополнительную операцию сверхкритической сушки структуры в СO2, которая является завершающей. Данная сушка исключает деформацию игольчатых эмиттеров за счет действия капиллярных сил.The examples of the implementation of the method relate to the manufacture of emitters of micron sizes. In the manufacture of nanometer-sized emitters, an additional supercritical drying operation of the structure in CO 2 is carried out, which is final. This drying eliminates the deformation of needle emitters due to the action of capillary forces.

Пример 3Example 3

На подложке слаболегированного Si с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при изготовлении пленочных плоских элементов. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a substrate of lightly doped Si with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses that are introduced into the forming layers in the manufacture of film flat elements. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении плоских пленочных элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев.As the forming layers, solid-state layers are used, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of flat film elements due to the difference in the constant crystal lattices of the materials of the solid-state layers.

В качестве материала механически напряженных твердотельных слоев, являющихся формообразующими эмиттеров, выбирают Si0,8Ge0,2/Si/Cr/SiO2/Ni. Формообразующие слои Si0,8Ge0,2 и Si сильно легированы бором до концентрации 1020 см-3.As the material of mechanically strained solid-state layers, which are the forming emitters, choose Si 0.8 Ge 0.2 / Si / Cr / SiO 2 / Ni. The shaping layers of Si 0.8 Ge 0.2 and Si are heavily doped with boron to a concentration of 10 20 cm -3 .

Толщину пленочного плоского элемента задают 2,2·10-7 м.The thickness of the film flat element set 2.2 · 10 -7 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке сначала методом газотранспортной эпитаксии формируют указанные формообразующие слои в последовательности - из Si0,8Ge0,2 толщиной 12 нм, затем из Si толщиной 50 нм и слой Сr толщиной 20 нм, после чего на последнем формируют слой SiO2 толщиной 2 нм, на который напыляют слой Ni толщиной 150 нм. Структуру помещают в кварцевый реактор для формирования слоя графена. После откачки кварцевого реактора форвакуумным насосом в него запускают смесь аргона и водорода и поднимают температуру до 900°С, затем в течение 3 минут пропускают смесь аргона, метана и водорода в пропорциях 100:30:20. Далее проводят охлаждение реактора со скоростью 3°С/сек, что приводит к формированию на поверхности слоя никеля графенового слоя толщиной в 3 или на отдельных участках 4 монослоя. Количество монослоев определяют из спектров комбинационного рассеяния по амплитуде и ширине пиков 2D (2700 см-1) и G (1580 см-1).In the manufacture of a film flat element on a substrate, first these gas-forming layers are formed by gas transport epitaxy in the sequence of Si 0.8 Ge 0.2 with a thickness of 12 nm, then Si with a thickness of 50 nm and a Cr layer with a thickness of 20 nm, after which a layer is formed on the latter SiO 2 with a thickness of 2 nm, on which a 150 nm thick Ni layer is sprayed. The structure is placed in a quartz reactor to form a graphene layer. After pumping the quartz reactor with a fore-vacuum pump, a mixture of argon and hydrogen is launched into it and the temperature is raised to 900 ° C, then a mixture of argon, methane and hydrogen in the proportions of 100: 30: 20 is passed for 3 minutes. Next, the reactor is cooled at a rate of 3 ° C / sec, which leads to the formation of a graphene layer on the surface of the nickel layer in a thickness of 3 or in separate sections 4 of the monolayer. The number of monolayers is determined from the Raman spectra of the amplitude and width of the peaks 2D (2700 cm -1 ) and G (1580 cm -1 ).

Формообразующий слой Si0,8Ge0,2 формируют сжатым относительно подложки в результате псевдоморфного роста. За счет анизотропии модуля Юнга при отделении от подложки пленочного плоского элемента энергетически наиболее выгодно изгибание слоев при трансформации в пространственную конфигурацию эмиттеров в кристаллографических направлениях типа <100>.The forming layer of Si 0.8 Ge 0.2 is formed compressed relative to the substrate as a result of pseudomorphic growth. Due to the anisotropy of the Young's modulus when separating the film flat element from the substrate, it is energetically most advantageous to bend the layers upon transformation into the spatial configuration of emitters in crystallographic directions of the <100> type.

Литографически формируют рисунки слоев (см. Фиг.2), задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <110>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем травления с использованием: для слоя графена плазмохимического травления в O2; для слоя никеля травления в 30% водном растворе FeCl3 при температуре 30°С, для сильнолегированных бором слоев SiGe/Si реактивно-ионного травления в CF4+O2; для слоя SiO2 также реактивно-ионного травления в CF4+O2.Lithographically form patterns of layers (see Figure 2), defining the contours of the emitter in the form of an angle with a vertex oriented along the direction <110>. Lithographic windows defining the patterns of the layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits-segments that form an angle with the apex along the indicated direction, are made by etching using: for a layer of graphene plasma-chemical etching in O 2 ; for a nickel layer of etching in a 30% aqueous solution of FeCl 3 at a temperature of 30 ° C; for heavily doped boron SiGe / Si layers of reactive ion etching in CF 4 + O 2 ; for the SiO 2 layer is also reactive ion etching in CF 4 + O 2 .

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных элементов начинают с угла, который образован щелями-отрезками, и осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления, в растворе аммиака (NH4OH:H2O - 1:5). Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и трансформации их в эмиттеры. Травление останавливают после достижения заданного изгиба пленочного элемента при его трансформации в эмиттер и ориентации эмиттера в вертикальном направлении (см. Фиг.3).Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precision located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. The separation of the film elements starts from the angle formed by the slits, and is carried out by selective etching of the substrate using etching anisotropy in an ammonia solution (NH 4 OH: H 2 O - 1: 5). Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and transforming them into emitters. The etching is stopped after reaching a predetermined bend of the film element when it is transformed into an emitter and the emitter is oriented in the vertical direction (see FIG. 3).

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры (см. Фиг.3), строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate (see FIG. 3), strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on a substrate during the formation of film flat elements that remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

Пример 4Example 4

На подложке слаболегированного Si с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при изготовлении пленочных плоских элементов. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a substrate of lightly doped Si with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses that are introduced into the forming layers in the manufacture of film flat elements. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении плоских пленочных элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев.As the forming layers, solid-state layers are used, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of flat film elements due to the difference in the constant crystal lattices of the materials of the solid-state layers.

В качестве материала механически напряженных твердотельных слоев, являющихся формообразующими эмиттеров, выбирают Si0,8Ge0,2/Si/SiO2/Ni. Формообразующие слои Si0,8Ge0,2 и Si сильно легированы бором до концентрации 1020 см-3.As the material of mechanically strained solid-state layers, which are the forming emitters, choose Si 0.8 Ge 0.2 / Si / SiO 2 / Ni. The shaping layers of Si 0.8 Ge 0.2 and Si are heavily doped with boron to a concentration of 10 20 cm -3 .

Толщину пленочного плоского элемента задают 2,2·10-7 м.The thickness of the film flat element set 2.2 · 10 -7 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке сначала методом газотранспортной эпитаксии формируют указанные формообразующие слои в последовательности - из Si0,8Ge0,2 толщиной 12 нм, затем из Si толщиной 50 нм, после чего на последнем формируют слой SiO2 толщиной 1 нм, на который напыляют слой Ni толщиной 150 нм.In the manufacture of a film flat element on a substrate, first these gas-forming epitaxy layers are formed in the sequence — from Si 0.8 Ge 0.2 with a thickness of 12 nm, then from Si with a thickness of 50 nm, after which a 1 nm thick SiO 2 layer is formed on the substrate, on which a 150 nm thick Ni layer is sprayed.

До нанесения слоя графена литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <110>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем реактивно-ионного травления с использованием: для слоя никеля травления в 30% водном растворе FeСl3 при температуре 30°С; для сильнолегированных бором слоев SiGe/Si реактивно-ионного травления в CF4+O2; для слоя SiO2 также реактивно-ионного травления в CF4+O2.Prior to the deposition of a graphene layer, layer patterns are formed lithographically defining the emitter contours in the form of an angle with a vertex oriented along the <110> direction. Lithographic windows defining the patterns of layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits-segments forming an angle with a vertex along the indicated direction, are made by reactive-ion etching using: for a nickel layer etching in a 30% aqueous solution of FeCl 3 at a temperature of 30 ° FROM; for heavily doped boron SiGe / Si layers of reactive ion etching in CF 4 + O 2 ; for the SiO 2 layer is also reactive ion etching in CF 4 + O 2 .

Структуру помещают в кварцевый реактор для формирования слоя графена на не вытравленных участках слоя никеля. После откачки кварцевого реактора форвакуумным насосом в него запускают смесь аргона и водорода и поднимают температуру до 900°С, затем в течение 3 минут пропускают смесь аргона, метана и водорода в пропорциях 100:30:20. Далее проводят охлаждение реактора со скоростью 3°С/сек, что приводит к формированию на поверхности слоя никеля графенового слоя толщиной в 3 или на отдельных участках в 4 монослоя. Количество монослоев определяют из спектров комбинационного рассеяния по амплитуде и ширине пиков 2D (2700 см-1) и G (1580 см-1).The structure is placed in a quartz reactor to form a graphene layer on the non-etched portions of the nickel layer. After pumping the quartz reactor with a fore-vacuum pump, a mixture of argon and hydrogen is launched into it and the temperature is raised to 900 ° C, then a mixture of argon, methane and hydrogen in the proportions of 100: 30: 20 is passed for 3 minutes. Next, the reactor is cooled at a rate of 3 ° C / sec, which leads to the formation of a graphene layer on the surface of the nickel layer with a thickness of 3 or in separate sections of 4 monolayers. The number of monolayers is determined from the Raman spectra of the amplitude and width of the peaks 2D (2700 cm -1 ) and G (1580 cm -1 ).

Формообразующий слой Si0,8Ge0,2 формируют сжатым относительно подложки в результате псевдоморфного роста. За счет анизотропии модуля Юнга при отделении от подложки пленочного элемента энергетически наиболее выгодно изгибание слоев при трансформации в пространственную конфигурацию эмиттеров в кристаллографических направлениях типа <100>.The forming layer of Si 0.8 Ge 0.2 is formed compressed relative to the substrate as a result of pseudomorphic growth. Due to the anisotropy of the Young's modulus when separating the film element from the substrate, the most flexible is the bending of the layers during transformation into the spatial configuration of emitters in crystallographic directions of the <100> type.

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных плоских элементов начинают с угла, образованного щелями-отрезками, и осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления, в растворе аммиака (NH4OH:H2O - 1:5). Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и трансформации их в эмиттеры.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film flat elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters that are precisely located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. The separation of film flat elements starts from the angle formed by the slits, and is carried out by selective etching of the substrate using etching anisotropy in an ammonia solution (NH 4 OH: H 2 O - 1: 5). Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and transforming them into emitters.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

В отношении изготовленной по приведенному в примере 4 способу структуры, содержащей графеновые полевые эмиттеры, были выполнены измерения тока эмиссии. Измерения осуществлялись в вакуумной установке при уровне вакуума 10-4÷10-5 Па, расстояние между электродами было равным 80 мкм. Пороговое поле начала эмиссии составляло 2 В/мкм (при токе порядка 100 мкА/см2). Столь низкое пороговое напряжение характерно для углеродных трубок и для графена. На данной структуре была измерена зависимость плотности тока эмиссии от величины электрического поля. При электрическом поле 3 В/мкм ток составлял 1 мА/см2; при 5 В/мкм - 10 мА/см2; при 6 В/мкм - 28 мА/см2; при 7 В/мкм - 95 мА/см2; при 9 В/мкм - 0,5 А/см2. Изменений тока эмиссии в течение 46 часов испытаний выявлено не было; работа катодов, в частности, при Е=5,5 В/мкм и токе эмиссии 15 мА/см2 стабильна.With respect to the structure containing graphene field emitters made according to the method described in Example 4, measurements of the emission current were performed. The measurements were carried out in a vacuum installation at a vacuum level of 10 -4 ÷ 10 -5 Pa, the distance between the electrodes was 80 μm. The threshold field of the onset of emission was 2 V / μm (at a current of the order of 100 μA / cm 2 ). Such a low threshold voltage is characteristic of carbon tubes and graphene. The dependence of the emission current density on the electric field was measured on this structure. With an electric field of 3 V / μm, the current was 1 mA / cm 2 ; at 5 V / μm - 10 mA / cm 2 ; at 6 V / μm - 28 mA / cm 2 ; at 7 V / μm - 95 mA / cm 2 ; at 9 V / μm - 0.5 A / cm 2 . No changes in the emission current were detected during the 46 hours of testing; the operation of the cathodes, in particular, at E = 5.5 V / μm and an emission current of 15 mA / cm 2 is stable.

Пример 5Example 5

На подложке слаболегированного Si с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при изготовлении пленочных плоских элементов. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a substrate of lightly doped Si with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses that are introduced into the forming layers in the manufacture of film flat elements. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении плоских пленочных элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев.As the forming layers, solid-state layers are used, into which internal mechanical stresses are introduced in the manufacture of flat film elements due to the difference in the constant crystal lattices of the materials of the solid-state layers.

В качестве материала механически напряженных твердотельных слоев, являющихся формообразующими эмиттеров, выбирают SiO2/Ni.As the material of mechanically strained solid-state layers, which are the forming emitters, choose SiO 2 / Ni.

Толщину пленочного плоского элемента задают 2·10-7 м.The thickness of the film flat element set 2 · 10 -7 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке сначала высокотемпературным окислением кремния формируют сжатый формообразующий слой SiO2 толщиной 100 нм, на который наносят ненапряженный слой Ni толщиной 150 нм.In the manufacture of a film flat element on a substrate, a high-temperature oxidation of silicon is first used to form a compressed SiO 2 forming layer 100 nm thick, onto which an unstressed 150 nm thick Ni layer is applied.

До нанесения слоя графена литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <110>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем реактивно-ионного травления с использованием: для слоя никеля травления в 30% водном растворе FeСl3 при температуре 30°С; для слоя SiO2 - реактивно-ионного травления в CF4+O2.Prior to the deposition of a graphene layer, layer patterns are formed lithographically defining the emitter contours in the form of an angle with a vertex oriented along the <110> direction. Lithographic windows defining the patterns of layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits-segments forming an angle with a vertex along the indicated direction, are made by reactive-ion etching using: for a nickel layer etching in a 30% aqueous solution of FeCl 3 at a temperature of 30 ° FROM; for a SiO 2 layer — reactive ion etching in CF 4 + O 2 .

Структуру помещают в кварцевый реактор для формирования слоя графена на не вытравленных участках слоя никеля. После откачки кварцевого реактора форвакуумным насосом в него запускают смесь аргона и водорода и поднимают температуру до 900°С, затем в течение 3 минут пропускают смесь аргона, метана и водорода в пропорциях 100:30:20. Далее проводят охлаждение реактора со скоростью 3°С/сек, что приводит к формированию на поверхности слоя никеля графенового слоя толщиной в 3 или на отдельных участках в 4 монослоя. Количество монослоев определяют из спектров комбинационного рассеяния по амплитуде и ширине пиков 2D (2700 см-1) и G (1580 см-1).The structure is placed in a quartz reactor to form a graphene layer on the non-etched portions of the nickel layer. After pumping the quartz reactor with a fore-vacuum pump, a mixture of argon and hydrogen is launched into it and the temperature is raised to 900 ° C, then a mixture of argon, methane and hydrogen in the proportions of 100: 30: 20 is passed for 3 minutes. Next, the reactor is cooled at a rate of 3 ° C / sec, which leads to the formation of a graphene layer on the surface of the nickel layer with a thickness of 3 or in separate sections of 4 monolayers. The number of monolayers is determined from the Raman spectra of the amplitude and width of the peaks 2D (2700 cm -1 ) and G (1580 cm -1 ).

Формообразующий слой SiO2 формируют сжатым относительно подложки.The forming layer of SiO 2 is formed compressed relative to the substrate.

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных элементов начинают с угла, образованного щелями-отрезками, и осуществляют путем селективного травления кремниевой подложки, использующего анизотропию травления, в растворе аммиака (NH4OH:H2O - 1:5). Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и трансформации их в эмиттеры. Травление останавливают после достижения заданного изгиба пленочного элемента при его трансформации в эмиттер и ориентации эмиттера в горизонтальном направлении (см. Фиг.4), при котором электроны эмиттируются в горизонтальном направлении.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film flat elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters that are precisely located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. The separation of the film elements starts from the angle formed by the slits, and is carried out by selective etching of a silicon substrate using anisotropy of etching in an ammonia solution (NH 4 OH: H 2 O - 1: 5). Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and transforming them into emitters. The etching is stopped after reaching the specified bend of the film element when it is transformed into an emitter and the emitter is oriented in the horizontal direction (see Figure 4), in which the electrons are emitted in the horizontal direction.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

Пример 6Example 6

На подложке Si с ориентацией (100) изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On a Si substrate with an orientation of (100), film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses, which are introduced into the forming layers during the transformation of flat film elements into emitters. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют полимерные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, проводимой с использованием температур и длительности, вызывающих деформацию полимерного материала. При термообработке используют температуру 150°С, а длительность выбирают исходя из заданной пространственной конфигурации эмиттеров - вертикальной (см. Фиг.5), при которой электроны эмиттируются в вертикальном направлении. Длительность определяют визуально, выбирая момент времени достижения эмиттерами вертикальной ориентации.Polymer layers are used as forming layers, into which internal mechanical stresses are introduced during the transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment carried out using temperatures and duration that cause deformation of the polymer material. During heat treatment, a temperature of 150 ° C is used, and the duration is selected based on the given spatial configuration of the emitters - vertical (see Figure 5), in which the electrons are emitted in the vertical direction. Duration is determined visually by choosing the moment in time that the emitters reach the vertical orientation.

В качестве материала формообразующих полимерных слоев эмиттеров, в которые вводят механические внутренние напряжения при трансформации плоских пленочных элементов за счет термообработки, выбирают полиметилметакрилат (ПММА).Polymethylmethacrylate (PMMA) is chosen as the material of the forming polymer layers of emitters into which mechanical internal stresses are introduced during the transformation of flat film elements due to heat treatment.

Толщину пленочного плоского элемента задают 6·10-8 м.The thickness of the film flat element set 6 · 10 -8 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложку кремния сначала переносят и «приклеивают» по известному методу (Hailiang Wang, Xinran Wang, Xiaolin Li, Hongjie Dai «Chemical Self-Assembly of Graphene Sheets», Nano Res (2009) 2: 336-342), освобожденный от связи с подложкой слой графена, который предварительно выращивают на подложке никеля и отсоединяют от нее в селективном травителе - 30% растворе FeCl3. Затем на слое графена формируют слой ПММА толщиной 60 нм методом центрифугирования жидкого ПММА при 6000 оборотах в минуту. Проводят сушку слоя ПММА при температуре 100°С.In the manufacture of a film flat element on a silicon substrate, it is first transferred and “glued” according to the known method (Hailiang Wang, Xinran Wang, Xiaolin Li, Hongjie Dai “Chemical Self-Assembly of Graphene Sheets”, Nano Res (2009) 2: 336-342) a layer of graphene freed from bond with the substrate, which is preliminarily grown on the nickel substrate and disconnected from it in a selective etchant — a 30% FeCl 3 solution. Then, a 60-nm-thick PMMA layer is formed on the graphene layer by centrifuging liquid PMMA at 6000 rpm. Dry the PMMA layer at a temperature of 100 ° C.

Литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла с вершиной, ориентированной вдоль направления <110>. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол с вершиной вдоль указанного направления, изготавливают путем наноштамповой литографии по слою ПММА. Посредством сформированных штампом в ПММА окон в них вытравливают ПММА и слой графена до подложки посредством плазмохимического травления в О2.Lithographically form layer patterns defining the contours of the emitter in the form of an angle with a vertex oriented along the <110> direction. Lithographic windows defining the patterns of the layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits, segments, forming an angle with the apex along the indicated direction, are made by nanostamp lithography along the PMMA layer. By means of the windows formed by the stamp in PMMA, they are etched into the PMMA and the graphene layer to the substrate by plasma-chemical etching in O 2 .

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных элементов начинают с угла, образованного щелями-отрезками, и осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления, в растворе аммиака (NH4OH:H2O - 1:5). Травление осуществляют до частичного отделения пленочных плоских элементов и приступают к дальнейшей трансформации их в эмиттеры. Поскольку между слоями графена и ПММА практически полностью отсутствуют механические напряжения, то освобожденные от связи с подложки пленочные элементы остаются в плоском состоянии, то есть не принимают трехмерной пространственной конфигурации, располагаясь над подложкой. В связи с этим после проведения сушки осуществляют термическую обработку при температуре 150°С, под воздействием которой слой ПММА усаживают, стягивая в «каплю», инициируя, таким образом, возникновение внутренних механических напряжений. Сжимаясь, слой размягченного ПММА «тянет» за собой слой графена, что приводит к изгибанию пленочных элементов с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При достижении вертикального расположения слоя графена относительно поверхности подложки термическую обработку прекращают и полимер ПММА отверждают.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film flat elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters that are precisely located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed, thereby ensuring the location of the emitters above the substrate. The separation of the film elements starts from the angle formed by the slits, and is carried out by selective etching of the substrate using etching anisotropy in a solution of ammonia (NH 4 OH: H 2 O - 1: 5). Etching is carried out until the partial separation of the film flat elements and proceed to their further transformation into emitters. Since mechanical stresses are almost completely absent between the graphene and PMMA layers, the film elements freed from bond from the substrate remain in a planar state, that is, they do not accept a three-dimensional spatial configuration, located above the substrate. In this regard, after drying, heat treatment is carried out at a temperature of 150 ° C, under the influence of which the PMMA layer is seated, pulled into a “drop”, thus initiating the occurrence of internal mechanical stresses. Shrinking, the softened PMMA layer “pulls” a graphene layer behind itself, which leads to the bending of the film elements with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When the vertical location of the graphene layer relative to the surface of the substrate is reached, the heat treatment is stopped and the PMMA polymer is cured.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов. Высота эмиттеров в массиве строго составляет 0,1 мкм.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate. The height of the emitters in the array is strictly 0.1 μm.

Пример 7Example 7

На подложке высокоориентированного пиролитического графита изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои. Плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади. Затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои при отделении и трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры. Материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.On the substrate of highly oriented pyrolytic graphite, film flat elements are made containing the forming and functional graphene layers. Flat film elements are formed on a substrate with a desired location over its area. Then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses, which are introduced into the forming layers during separation and transformation of flat film elements into emitters. The material, the geometry of the film elements and the internal mechanical stresses are selected in the manufacture of the film elements, providing the possibility of their separation from communication with the substrate and transformation under the action of internal mechanical stresses into emitters, which are precisely located above the substrate and have a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions.

При формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии - литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.When film flat elements containing a forming and functional graphene layers are formed on a substrate, all emitter structural layers are made, and, using planar technology, lithographs are used to form layer patterns defining the emitter contours, and the emitter contour is formed to ensure its partial separation from the substrate.

Требуемое расположение пленочных плоских элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии - литографически.The required arrangement of film flat elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology - lithographically.

В качестве формообразующих слоев используют полимерные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при отделении и трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, проводимой с использованием температур и длительности, вызывающих деформацию полимерного материала. При термообработке используют температуру 200°С, а длительность выбирают исходя из заданной пространственной конфигурации эмиттеров - вертикальной, при которой электроны эмиттируются в вертикальном направлении. Длительность определяют визуально, выбирая момент времени достижения эмиттерами вертикальной ориентации.Polymer layers are used as forming layers, into which internal mechanical stresses are introduced during separation and transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment carried out using temperatures and duration that cause deformation of the polymer material. During heat treatment, a temperature of 200 ° C is used, and the duration is selected based on the given spatial configuration of the emitters — vertical, at which the electrons are emitted in the vertical direction. Duration is determined visually by choosing the moment in time that the emitters reach the vertical orientation.

В качестве материала формообразующих полимерных слоев эмиттеров, в которые вводят механические внутренние напряжения при отделении и трансформации плоских пленочных элементов за счет термообработки выбирают полиметилметакрилат (ПММА).Polymethylmethacrylate (PMMA) is chosen as the material of the forming polymer layers of emitters into which mechanical internal stresses are introduced during separation and transformation of flat film elements due to heat treatment.

Толщину пленочного плоского элемента задают 6·10-8 м.The thickness of the film flat element set 6 · 10 -8 m

При изготовлении пленочного плоского элемента на подложке высокоориентированного пиролитического графита формируют слой ПММА толщиной 60 нм методом центрифугирования жидкого ПММА при 6000 оборотах в минуту. Проводят сушку слоя ПММА при температуре 100°С. Приповерхностный слой подложки, на котором формируют слой ПММА, выполняет роль функционального слоя, в дальнейшем его «отрывают» от подложки.In the manufacture of a film flat element on a substrate of highly oriented pyrolytic graphite, a 60-nm-thick PMMA layer is formed by centrifugation of liquid PMMA at 6000 rpm. Dry the PMMA layer at a temperature of 100 ° C. The near-surface layer of the substrate, on which the PMMA layer is formed, plays the role of a functional layer, in the future it is “torn” from the substrate.

Литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера в форме угла. Литографические окна, определяющие рисунки слоев и задающие контуры эмиттера, выполненные в виде щелей-отрезков, образующих угол, изготавливают путем наноштамповой литографии по слою ПММА. С помощью сформированных штампованием в ПММА окон вытравливают в них ПММА и графит подложки на глубину 3 моноатомных слоя посредством плазмохимического травления в О2.Lithographically form patterns of layers defining the contours of the emitter in the form of an angle. Lithographic windows defining the patterns of layers and defining the contours of the emitter, made in the form of slits, segments, forming an angle, are made by nanostamp lithography on a PMMA layer. Using the windows formed by stamping in PMMA, PMMA and graphite substrates are etched into them to a depth of 3 monatomic layers by plasma-chemical etching in O 2 .

Пленочные плоские элементы отделяют от подложки с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют посредством «отрыва» материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой. Отделение пленочных элементов начинают с угла, образованного щелями-отрезками, и осуществляют, как указано выше в данном примере реализации, путем термообработки, проводимой с использованием температур и длительности, вызывающих деформацию полимерного материала ПММА, при температуре 200°С и длительности - до достижения вертикальной ориентации.Film flat elements are separated from the substrate with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When separating the film flat elements from the substrate and transforming them under the action of internal mechanical stresses into emitters that are precisely located above the substrate, the material of the element lying under the film flat element is removed by “tearing off”, thereby ensuring the emitters are located above the substrate. The separation of the film elements begins from the angle formed by the slits-segments, and is carried out, as described above in this example implementation, by heat treatment carried out using temperatures and duration that cause deformation of the polymeric material PMMA, at a temperature of 200 ° C and duration until the vertical orientation.

Под воздействием температуры слой ПММА усаживают, стягивая в «каплю», инициируя, таким образом, возникновение внутренних механических напряжений. Сжимаясь, слой размягченного ПММА «тянет» за собой слой графена, что приводит к отделению посредством «отрыва» от подложки, изгибанию пленочных элементов с трансформацией их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией. При достижении вертикального расположения слоя графена относительно поверхности подложки, термическую обработку прекращают и полимер ПММА отверждают.Under the influence of temperature, the PMMA layer is seated, pulled together into a “drop”, thus initiating the appearance of internal mechanical stresses. Shrinking, the layer of softened PMMA “pulls” a graphene layer behind itself, which leads to separation by “tearing” from the substrate, bending of the film elements with their transformation into emitters with a given three-dimensional spatial configuration. When the vertical location of the graphene layer relative to the surface of the substrate is reached, the heat treatment is stopped and the PMMA polymer is cured.

Изготовленные на подложке изогнутые иглообразные эмиттеры, строго пространственно ориентированные над ней, связаны между собой участками слоев, выращенных на подложке в процессе формирования пленочных плоских элементов, сохраняющихся на ней после частичного отделения от подложки пленочных плоских элементов.Curved needle-shaped emitters made on a substrate, strictly spatially oriented above it, are interconnected by sections of layers grown on the substrate during the formation of film flat elements, which remain on it after partial separation of film flat elements from the substrate.

Claims (16)

1. Способ формирования графеновых полевых эмиттеров, отличающийся тем, что изготавливают пленочные плоские элементы, содержащие формообразующий и функциональный графеновый слои, при этом плоские пленочные элементы формируют на подложке с требуемым расположением по ее площади, затем пленочные плоские элементы отделяют от подложки и трансформируют их в эмиттеры с заданной трехмерной пространственной конфигурацией за счет действия механических внутренних напряжений, которые вводят в формообразующие слои либо при изготовлении пленочных плоских элементов, либо при трансформации, либо при отделении и трансформации плоских элементов в эмиттеры, причем материал, геометрию пленочных элементов и внутренние механические напряжения выбирают при изготовлении пленочных элементов обеспечивающими возможность их отделения от связи с подложкой и трансформации под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой и обладающие прецизионно заданной пространственной конфигурацией и геометрическими размерами.1. The method of forming graphene field emitters, characterized in that the manufacture of film flat elements containing the forming and functional graphene layers, while flat film elements are formed on the substrate with the desired location along its area, then the film flat elements are separated from the substrate and transform them into emitters with a given three-dimensional spatial configuration due to the action of mechanical internal stresses, which are introduced into the forming layers or in the manufacture of film x flat elements, either during transformation, or during separation and transformation of flat elements into emitters, and the material, the geometry of the film elements and internal mechanical stresses are selected in the manufacture of film elements providing their separation from communication with the substrate and transformation under the influence of internal mechanical stresses into emitters located precisely above the substrate and having a precisely defined spatial configuration and geometric dimensions. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании на подложке пленочных плоских элементов, содержащих формообразующий и функциональный графеновый слои, изготавливают все конструктивные слои эмиттера, при этом посредством планарной технологии литографически формируют рисунки слоев, задающие контуры эмиттера, причем контур эмиттера формируют обеспечивающим его частичное отделение от подложки.2. The method according to claim 1, characterized in that when forming flat film elements on the substrate containing the forming and functional graphene layers, all the structural layers of the emitter are fabricated, while using planar technology, lithographic patterns of the layers defining the contours of the emitter are formed, moreover, the emitter circuit form providing for its partial separation from the substrate. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве формообразующих слоев используют твердотельные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при изготовлении пленочных плоских элементов за счет разницы в постоянных кристаллических решеток материалов твердотельных слоев, или полимерные слои, в которые вводят внутренние механические напряжения при отделении и трансформации или трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, проводимой с использованием температур и длительности, вызывающих деформацию полимерного материала.3. The method according to claim 1, characterized in that as the forming layers use solid-state layers, which introduce internal mechanical stresses in the manufacture of film flat elements due to the difference in the constant crystal lattices of materials of the solid-state layers, or polymer layers into which the internal mechanical stresses during separation and transformation or transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment carried out using temperatures and duration that cause de formation of polymer material. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при термообработках используют температуры от 150 до 200°С, а длительность выбирают исходя из заданной пространственной конфигурации эмиттеров.4. The method according to claim 3, characterized in that during heat treatments use temperatures from 150 to 200 ° C, and the duration is selected based on the given spatial configuration of the emitters. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое расположение плоских пленочных элементов, регулярное по площади подложки, обеспечивают посредством планарной технологии литографически.5. The method according to claim 1, characterized in that the required location of the flat film elements, regular in area of the substrate, is provided by planar technology lithographically. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки выбирают высокоориентированный пиролитический графит, или полупроводниковый материал A3B5 - GaAs, или полупроводниковый материал IV группы таблицы Д.И.Менделеева - Si.6. The method according to claim 1, characterized in that highly oriented pyrolytic graphite or semiconductor material A 3 B 5 —GaAs, or semiconductor material of group IV of the D.I. Mendeleev table — Si — are selected as the substrate material. 7. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала формообразующих твердотельных механически напряженных слоев эмиттеров выбирают SiGe/Si, или InGaAs/GaAs, или SiO2/Ni, или SiGe/Si/SiO2/Ni, а в качестве материала формообразующих полимерных слоев эмиттеров, в которые вводят механические внутренние напряжения при трансформации или при отделении и трансформации плоских пленочных элементов в эмиттеры за счет термообработки, выбирают полиметилметакрилат.7. The method according to claim 3, characterized in that SiGe / Si, or InGaAs / GaAs, or SiO 2 / Ni, or SiGe / Si / SiO 2 / Ni is selected as the material of the forming solid-state mechanically stressed emitter layers, and as the material of the forming polymer layers of the emitters, into which mechanical internal stresses are introduced during transformation or during separation and transformation of flat film elements into emitters due to heat treatment, choose polymethyl methacrylate. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный на подложке-доноре и перенесенный на формообразующие слои, предварительно сформированные на подложке GaAs или Si, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный непосредственно на формообразующих слоях, предварительно сформированных на подложке GaAs или Si.8. The method according to claim 1, characterized in that as a functional graphene layer using a surface layer of a substrate of highly oriented pyrolytic graphite, or as a functional graphene layer using a layer of graphene grown on a donor substrate and transferred to the forming layers previously formed on GaAs or Si substrate, or as a functional graphene layer, a graphene layer grown directly on the forming layers previously formed on the substrate is used. ke GaAs or Si. 9. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный на подложке-доноре и перенесенный на формообразующие слои, предварительно сформированные на подложке GaAs или Si, или в качестве функционального графенового слоя используют слой графена, выращенный непосредственно на формообразующих слоях, предварительно сформированных на подложке GaAs или Si.9. The method according to claim 6, characterized in that as a functional graphene layer using a surface layer of a substrate of highly oriented pyrolytic graphite, or as a functional graphene layer using a layer of graphene grown on a donor substrate and transferred to the forming layers previously formed on GaAs or Si substrate, or as a functional graphene layer, a graphene layer grown directly on the forming layers previously formed on the substrate is used. ke GaAs or Si. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину пленочного плоского элемента задают от 10-8 до 10-7 м.10. The method according to claim 1, characterized in that the thickness of the film flat element set from 10 -8 to 10 -7 m 11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при последующем отделении пленочных плоских элементов от подложки или при последующем отделении пленочных плоских элементов от подложки и трансформации их под действием внутренних механических напряжений в эмиттеры, прецизионно расположенные над подложкой, удаляют материал элемента, лежащего под пленочным плоским элементом, обеспечивая этим расположение эмиттеров над подложкой.11. The method according to claim 1 or 2, characterized in that during the subsequent separation of the film flat elements from the substrate or during the subsequent separation of the film flat elements from the substrate and their transformation under the influence of internal mechanical stresses into emitters, located precisely over the substrate, the material of the element is removed lying under the film flat element, thereby providing an arrangement of emitters above the substrate. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что на подложке предварительно выращивают жертвенный слой, отделение пленочных плоских элементов осуществляют путем бокового селективного травления жертвенного слоя.12. The method according to claim 1, characterized in that the sacrificial layer is pre-grown on the substrate, the separation of the film flat elements is carried out by selective lateral etching of the sacrificial layer. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделение пленочных плоских элементов осуществляют путем селективного травления подложки, использующего анизотропию травления.13. The method according to claim 1, characterized in that the separation of the film flat elements is carried out by selective etching of the substrate using anisotropy of etching. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве материала жертвенного слоя используют AlAs.14. The method according to p. 12, characterized in that AlAs is used as the material of the sacrificial layer. 15. Способ по п.12, отличающийся тем, что в жертвенном слое для обеспечения возможности его бокового селективного травления формируют литографически окна глубиной до подложки.15. The method according to p. 12, characterized in that in the sacrificial layer to enable lateral selective etching form lithographically window depth to the substrate. 16. Способ по п.1, или 8, или 9, отличающийся тем, что при изготовлении пленочных плоских элементов, в которых в качестве функционального графенового слоя используют приповерхностный слой подложки из высокоориентированного пиролитического графита, подложку травят на глубину нескольких атомарных слоев. 16. The method according to claim 1, or 8, or 9, characterized in that in the manufacture of film flat elements in which a surface layer of a substrate of highly oriented pyrolytic graphite is used as a functional graphene layer, the substrate is etched to the depth of several atomic layers.
RU2009141427/07A 2009-11-09 2009-11-09 Method of producing graphene nano-ribon fet RU2400858C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009141427/07A RU2400858C1 (en) 2009-11-09 2009-11-09 Method of producing graphene nano-ribon fet

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009141427/07A RU2400858C1 (en) 2009-11-09 2009-11-09 Method of producing graphene nano-ribon fet

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2400858C1 true RU2400858C1 (en) 2010-09-27

Family

ID=42940521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009141427/07A RU2400858C1 (en) 2009-11-09 2009-11-09 Method of producing graphene nano-ribon fet

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2400858C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497222C1 (en) * 2012-06-19 2013-10-27 Открытое акционерное общество "Зеленоградский инновационно-технологический центр" (ОАО "ЗИТЦ") Heterojunction structure
RU2500615C1 (en) * 2012-08-01 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Electro-chemical method of graphene obtaining
RU2538040C2 (en) * 2013-04-30 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Method of obtaining instrument graphene structures
RU2548989C2 (en) * 2013-06-06 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук"(ИПТМ РАН) Method of producing graphene hybrid and carbon nanotubes
RU2575137C2 (en) * 2012-10-02 2016-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Heterostructure for auto-emitter
RU201222U1 (en) * 2020-07-20 2020-12-03 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Field emitter made from contacted materials with different work functions
CN114113156A (en) * 2021-10-26 2022-03-01 浙江大学 Mechanical thinning preparation device and method for substrate-free monoatomic layer metal film

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wu Z.-S., Pei S.F., Ren W., Tang D., Gao L., Liu В., Li F., Liu C. and Cheng H.-M. «Field Emission of Single-Layer Graphene Films Prepared by Electrophoretic Deposition» // Adv. Mater. - 2009. - V.21. - P.P.1756-1760,. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497222C1 (en) * 2012-06-19 2013-10-27 Открытое акционерное общество "Зеленоградский инновационно-технологический центр" (ОАО "ЗИТЦ") Heterojunction structure
RU2500615C1 (en) * 2012-08-01 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Electro-chemical method of graphene obtaining
RU2575137C2 (en) * 2012-10-02 2016-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Heterostructure for auto-emitter
RU2538040C2 (en) * 2013-04-30 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Method of obtaining instrument graphene structures
RU2548989C2 (en) * 2013-06-06 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук"(ИПТМ РАН) Method of producing graphene hybrid and carbon nanotubes
RU201222U1 (en) * 2020-07-20 2020-12-03 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Field emitter made from contacted materials with different work functions
RU2780019C1 (en) * 2021-10-11 2022-09-19 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Metal-porous m-type cathode modified with a nanocarbon film and the method for its manufacture
CN114113156A (en) * 2021-10-26 2022-03-01 浙江大学 Mechanical thinning preparation device and method for substrate-free monoatomic layer metal film

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hwang et al. Vertical ZnO nanowires/graphene hybrids for transparent and flexible field emission
RU2400858C1 (en) Method of producing graphene nano-ribon fet
KR101626181B1 (en) Method for the controlled growth of a graphene film
US8980217B2 (en) Method of manufacturing graphene substrate, and graphene substrate
US9230801B2 (en) Graphene structure and method of fabricating the same
KR101284059B1 (en) Graphene-Oxide Semiconductor Heterojunction Devices, and Production Method of the Same
US8697548B2 (en) Method for making semi-conductor nanocrystals oriented along a predefined direction
CN103378234B (en) Light-emitting diode
WO2009119641A1 (en) Process for producing monoatomic film
Alper et al. Semiconductor nanowires directly grown on graphene–towards wafer scale transferable nanowire arrays with improved electrical contact
US20090297854A1 (en) Aa stacked graphene-diamond hybrid material by high temperature treatment of diamond and the fabrication method thereof
US20140374960A1 (en) Method for producing a graphene film
TW201303064A (en) Process for forming carbon film or inorganic material film on substrate
KR101614322B1 (en) Method for preparing graphene having controled layer number and method for fabricating electronic device using the same
JP2012025652A (en) Method for manufacturing structure equipped with graphene sheet provided with metal pin, structure acquired by the method and use of the structure
US20130043213A1 (en) Method for producing single-crystal diamond movable structure
CN103378236B (en) epitaxial structure with micro-structure
Chang et al. Enhanced electron field emission properties from hybrid nanostructures of graphene/Si tip array
Laker et al. Monolayer-to-thin-film transition in supramolecular assemblies: the role of topological protection
KR20030031334A (en) Fabricating method of metallic nanowires
TW200538574A (en) Nanocrystalline diamond film, method for manufacturing the same, and apparatus using the nanocrystalline diamond film
WO2008066209A1 (en) Process for producing diamond single crystal with thin film and diamond single crystal with thin film
Li et al. Field emission from a periodic amorphous silicon pillar array fabricated by modified nanosphere lithography
Oh et al. Large-scale, single-oriented ZnO nanostructure on h-BN films for flexible inorganic UV sensors
KR20090093081A (en) Manufacturing method of aligned nanowire and element application