Study of electron and ion emission mechanisms from micro-nano-structured Si surfaces using ultrashort laser pulses

Abstract

In this thesis, we study the mechanisms of electron emission from laser micro/nanostructured Si (silicon) in reactive gas atmosphere (SF₆). We examine the changes in the morphology, structure and composition of the processed surfaces and correlate them to their cold-cathode emission characteristics, such as field electron emission threshold, emitted current density and electric field enhancement. Different laser systems have been employed for the purposes of this work with pulse durations in ns, ps and fs range. The structures obtained consist of μm-scale cones decorated by nm-scale features, while their surface is a nanocrystalline Si layer heavily-doped with sulfur (S). This sulfur introduces impurity states within the Si bandgap, and its variations can be qualitatively assessed through optical absorptance measurements at below-bandgap energies. We compare the field emission threshold and the total electric field enhancement as extracted by the Fowler-Nordheim equation, to the one attributed to the macroscopic (μm scale) geometry of the structures. Even though the total field enhancement follows the geometrical aspect ratio variation of the surface features, their absolute values differ. We discuss the extend to which other factors such as the altered work function of the material or the presence of the nm-sale roughness, may influence the observed results, The overall roughness of the structures formed can be estimated through wettability measurements, which reveal a significant increase of the hydrophobicity of Si upon laser structuring.

Σε αυτή την εργασία, μελετάμε τους μηχανισμούς εκπομπής ηλεκτρονίων από μικρο/νανο-δομημένο πυρίτιο (Si) παρουσία ενεργού αερίου (SF₆). Εξετάζουμε τις αλλαγές στην μορφολογία, δομή και σύσταση των κατεργασμένων επιφανειών και τις συσχετίζουμε με τα χαρακτηριστικά εκπομπής πεδίου, όπως το κατώφλι εκπομπής πεδίου, η εκπεμπόμενη πυκνότητα ρεύματος και η ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου. Διαφορετικές πηγές λέιζερ χρησιμοποιούνται στα πλαίσια της παρούσας δουλειάς με παλμούς ns, ps και fs διάρκειας. Οι αναπτυσσόμενες δομές αποτελούνται από μικρο-κώνους οι οποίοι κοσμούνται από δομές κλίμακας νανομέτρου. Η επιφάνεια των κώνων αποτελείται από ένα στρώμα νανο-κρυσταλλικού πυριτίου, με προσμίξεις θείου (S) σε μεγάλη συγκέντρωση. Η ύπαρξη του θείου εισάγει στάθμες προσμίξεων στο ενεργειακό χάσμα του πυριτίου, και οι αλλαγές στη συγκέντρωση του μπορούν να προσεγγιστούν ποιοτικά μέσω μετρήσεων οπτικής απορρόφησης σε ενέργειες μικρότερες του ενεργειακού χάσματος. Συγκρίνουμε το κατώφλι εκπομπής πεδίου και την ολική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου όπως αυτό προκύπτει από την εξίσωση Fowler-Nordheim, με αυτή η οποία προκύπτει βάσει της μακροσκοπικής γεωμετρίας των δομών (σε μικρο-κλίμακα). Παρά το γεγονός ότι η ενίσχυση του πεδίου ακολουθεί την τάση που προβλέπεται από τη γεωμετρία των δομών, οι απόλυτες τιμές διαφέρουν. Εξετάζουμε το βαθμό στον οποίο άλλοι παράγοντες, όπως το αλλαγμένο έργο εξαγωγής του υλικού ή η ύπαρξη τραχύτητας σε νανο-κλίμακα μπορεί να επηρεάσει τα αποτελέσματα. Η ολική τραχύτητα των δομών υπολογίζεται μέσω μετρήσεων ιδιοτήτων διαβροχής, οι οποίες αποκαλύπτουν μια σημαντική αύξηση της υδροφοβικότητας τουπυριτίου μετά την ακτινοβόληση του με λέιζερ.