Полевая эмиссия электронов, благодаря высокой скорости электронов и быстрым переключательным характеристикам, стала ключевым механизмом работы наноустройств, таких как полевые транзисторы, сверхбыстрые переключатели, биосенсоры и молекулярные транзисторы. В частности, устройства с вакуумными нанозазорами обладают такими преимуществами, как высокая подвижность электронов, быстрый отклик, возможность работы при высоких температурах и превосходная стойкость к радиационному воздействию, что обеспечивает важную основу для развития наноэлектронных устройств следующего поколения. Однако такие устройства обычно используют асимметричную конструкцию электродов и работают при низких напряжениях, при этом их характеристики в значительной степени зависят от процесса полевой эмиссии электронов. В последние годы на основе полевой эмиссии, индуцирующей наноплазму, были реализованы сверхбыстрые наноэлектронные переключатели со скоростью переключения порядка пикосекунд и низким энергопотреблением, что подчеркивает огромный потенциал этой технологии в области высокоскоростных электронных устройств.

Несмотря на то что технология полевой эмиссии демонстрирует широкие перспективы применения в наноустройствах, существующие теоретические модели по‑прежнему сталкиваются с серьёзными трудностями. Традиционное уравнение полевой эмиссии Мёрфи–Гуда (MG), основанное на плоскостной теории потенциального барьера 1950‑х годов, не способно адекватно описывать эмиссионные процессы на наноуровне. Это обусловлено двумя ключевыми проблемами: во‑первых, сильно искривлённая поверхность наноэлектродов приводит к失效у традиционной модели потенциального барьера Шоттки–Нордгейма; во‑вторых, при уменьшении зазора до наноразмеров становятся заметными эффекты квантового туннелирования и квантовые эффекты пространственного заряда, что вызывает расхождение между предсказаниями классической теории и экспериментальными данными. Особенно это касается электродов с радиусом вершины менее 50 нм: ширина туннельного барьера чрезвычайно чувствительна к физическим размерам, тогда как большинство существующих моделей предусматривают лишь локальные поправки, учитывающие геометрию электрода или эффекты пространственного заряда, без единого унифицированного описания сложной зависимости от геометрии. Ещё более осложняется ситуация, когда размеры электрода сопоставимы с размерами нанозазора: в таком случае необходимо одновременно учитывать квантовые ограничения и взаимодействия обмена и корреляции, что делает построение точной трёхмерной теоретической модели полевой эмиссии чрезвычайно трудным. Эти теоретические ограничения существенно сдерживают оптимизацию характеристик и инновационный дизайн наноэлектронных устройств, требуя создания универсальной теоретической рамки полевой эмиссии на наноуровне на основе систематических экспериментальных исследований.

В ответ на указанные выше проблемы команда, состоящая из исследователей из Сианьского университета транспорта и Сингапурского университета науки и технологий, а также других учреждений, провела углублённое исследование с использованием технологии in situ‑TEM компании Zeyou. Команда с помощью in situ‑экспериментов и теоретического анализа выявила универсальную масштабную зависимость характеристик полевой эмиссии металлических наноигл в вакуумных нанозазорах от отношения радиуса вершины к длине зазора (R/d) и предложила модифицированное уравнение полевой эмиссии, учитывающее геометрический коэффициент k_MG: k_MG = 1,680 × (R/d + 0,468)^(-1,066). Это обеспечило ключевую теоретическую основу для оптимизации конструкции наноэлектронных устройств. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications под названием «Раскрытие широко применимой эмпирической формулы для характеристик полевой эмиссии металлических наноигл в нанозазорах».

В данной работе системно исследованы характеристики полевой электронной эмиссии металлических наноигл в вакуумных нанозазорах; особое внимание уделено выявлению ключевого влияния геометрической формы эмиттера на процесс полевой эмиссии на наноразмерном уровне. Исследовательская группа с использованием самостоятельно разработанной in situ‑электрической экспериментальной установки точно измерила характеристики полевой эмиссии вольфрамовых наноигл с радиусом вершины от 2 до 190 нм при различных значениях зазора (5–100 нм), охватывая широкий диапазон отношения радиуса вершины к длине зазора (R/d) — от 0,04 до 48. Экспериментальные данные показали, что при R/d < 0,1 требуемое напряжение Vm и показатель степени n1 в зависимости от соотношения (Rm/dm) медленно возрастают, достигая примерно 0,2; при R/d, близком к 10, n1 быстро повышается до 0,9; а при R/d > 10 этот показатель стабилизируется. Данная закономерность свидетельствует о решающем влиянии геометрической асимметрии на характеристики полевой эмиссии.

Путём теоретического анализа и численного моделирования исследовательская группа исключила доминирующую роль квантовых эффектов пространственного заряда и подтвердила, что геометрический эффект является основной причиной отклонений в предсказаниях традиционного уравнения эмиссии поля Мёрфи–Гуда (MG). Было установлено, что в диапазоне R/d = 0,04–48 ток полевой эмиссии определяется преимущественно кривизной вершины эмиттера, тогда как квантовые ограничительные эффекты начинают проявляться лишь при d < 5 нм. Особо следует отметить, что экспериментальные данные показывают, что соотношение γa·Vm ∝ d/R остаётся стабильным на всём рассматриваемом диапазоне; это означает, что локальная напряжённость электрического поля Fa на вершине, необходимая для поддержания того же тока эмиссии, зависит главным образом от радиуса кривизны R и практически не зависит от зазора d.

На основе этих результатов исследовательская группа предложила модифицированное уравнение эмиссии поля, в котором введён геометрический коэффициент kMG для точного описания геометрических эффектов. Этот коэффициент представлен как функция отношения R/d: kMG = 1,680 × (R/d + 0,468)⁻¹·⁰⁶⁶; данная эмпирическая формула хорошо согласуется с экспериментальными данными (коэффициент детерминации R² = 0,986). Модифицированное уравнение выражает эффективное поле на вершине как Feff‑MG = Vm/(kMGR), что успешно объясняет отклонения предсказаний традиционной теории MG на наноуровне. При R/d < 0,1 kMG ≈ d/R; при R/d > 10 kMG стремится к постоянному значению, что соответствует ожидаемому равномерному распределению электрического поля в плоской геометрии.

Важное значение данного исследования заключается в том, что впервые на основе систематических экспериментальных измерений была установлена количественная связь между характеристиками полевой эмиссии нано‑игольчатых острий и их геометрическими параметрами, что обеспечило теоретическую основу для проектирования и оптимизации наноэлектронных устройств. Выявленные в ходе исследования закономерности масштабирования и предложенное уточнённое уравнение полевой эмиссии не только восполняют пробелы традиционной теории на наноуровне, но и предоставляют ключевые методические рекомендации для будущей разработки высокопроизводительных наноустройств с полевой эмиссией — таких как сверхбыстрые переключатели, нановакуумные транзисторы и др. Полученные результаты будут способствовать развитию наноэлектроники в направлении уменьшения размеров и повышения её эксплуатационных характеристик.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в данной работе: