보고서 정보
주관연구기관 |
울산대학교 University of Ulsan |
연구책임자 |
정문성
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참여연구자 |
윤병국
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2003-10 |
과제시작연도 |
2002 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국과학재단 Korea Science and Engineering Foundtion |
등록번호 |
TRKO200800067488 |
과제고유번호 |
1350017581 |
사업명 |
목적기초연구사업 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
전계방출.다이아몬드.AlGaN.터널링.표면장벽.Schottky장벽.전기장 증진.탄소 나노튜브.삼중 접속점.field emission.diamond.AlGaN.tunneling.surface barrier.Schottky barrier.field enhancement.carbon nanotube.triple junction.
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초록
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본 과제의 목표는 저전위 고전류밀도의 전계방출 특성을 갖고 있어 이상적인 cold cathode 물질로 여겨지는 다이아몬드, AlGaN, 탄소 나노튜브의 전계방출을 기술하고 그 메커니즘을 이해하는 것이다.
본 연구내용은 전계방출에서 일어나는 금속-Cathode 접촉장벽 통과, Cathode 내부 통과, Cathode-진공 접촉장벽 통과 등의 전 수송과정을 연구하여 저전위 고전류 밀도의 특성을 기술하고 이해하는 것이다. 저전위 전계방출 특성을 밝히기 위하여 주요소인 퍼텐셜 장벽, 운반자 농도, 전기장의 세기의 효과를 연구하였다.
본 과제의 목표는 저전위 고전류밀도의 전계방출 특성을 갖고 있어 이상적인 cold cathode 물질로 여겨지는 다이아몬드, AlGaN, 탄소 나노튜브의 전계방출을 기술하고 그 메커니즘을 이해하는 것이다.
본 연구내용은 전계방출에서 일어나는 금속-Cathode 접촉장벽 통과, Cathode 내부 통과, Cathode-진공 접촉장벽 통과 등의 전 수송과정을 연구하여 저전위 고전류 밀도의 특성을 기술하고 이해하는 것이다. 저전위 전계방출 특성을 밝히기 위하여 주요소인 퍼텐셜 장벽, 운반자 농도, 전기장의 세기의 효과를 연구하였다. 특히 표면 기하구조와 물질의 함수로 전기장의 세기를 계산하여 저전위 전계방출의 가능성을 조사분석하였다. 다이아몬드와 AlGaN의 전계방출에서는 운반자 농도의 문제를 해결하고 그 물질들의 전계방출을 기술하였다. 탄소 나노튜브의 경우는 전기장의 세기와 공명 터널링의 효과로 그 전계방출의 특성을 설명하였다. 그리고 반도체 내부수송과 전계방출되는 전자의 에너지 특성을 연구하였다.
체계적으로 전계방출 모든 과정에서 전계방출의 주요소인 표면장벽의 높이 (전자친화도 또는 일함수), 운반자 농도, 전기장 세기의 영향을 연구함으로써 다이아몬드, AlGaN, 탄소 나노듀브의 표면에서 일어나는 전계방출 전류밀도를 계산하여 그 메커니즘을 이해하는 연구결과를 얻었다. 금속에서 cathode로 전자가 주입되는 지점에서부터 방출되어 나가는 진공표면에서까지 관여하는 전 과정을 기술하는 새모델의 개념으로서 저전위 전계방출을 보다 잘 이해하는 연구성과를 얻은 것이다.
본 과제에서 가장 의미 있는 연구성과는 삼중 접속점 (triple junction)에서 전기장 증진을 규명한 것이다. 금속-유전체-진공의 접속점 근처에서는 전기장이 각 구성원의 조성비와 유전상수에 의하여 결정되어 전기장의 증진되고 전계방출이 증진됨을 알아내고, 삼중 접속점은 활용성이 높은 새로운 차원의 Cold Cathode 될 수 있음을 밝힌 것이다. 또한 넓은 띠틈 반도체인 다이아몬드와 $Al_xGa_1-xN$에서는 금속-넓은 띠틈 반도체의 접촉장벽을 통과하는 내부 터널링이 반도체의 전도띠에 운반자 농도를 크게 기여함으로써 운반자 농도는 매우 적다는 문제점을 해결하는 의미 있는 결과를 얻었다. 그 결과 관측과 어느 정도 일치하는 다이아몬드와 $Al_xGa_1-xN$의 전계방출 전류밀도를 계산하였다. 특히 $Al_xGa_1-xN$의 경우는 조성비 x의 함수로 운반자 농도를 계산하고 전 x-구간에 대해서 전계방출 전류밀도를 처음으로 계산하였다. 탄소 나노 튜브의 경우 전계방출의 증진은 전기장 증진과 함께 터널링의 증진에 의한 효과로 연구되었다. 그리고 넓은 띠틈 반도체 내부에서 일어나는 수송현상을 몬테칼로 시늉 내기할 수 있는 프로그램을 작성하였다. 또한 반도체의 표면에서 전계방출되는 전자의 평균에너지에 대한 해석적 표현을 처음으로 얻었다.
Abstract
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The aim of the current research is to describe the low-voltage and highcurrent field emission from idealistic cold cathode materials, diamond, AlGaN, and carbon nanotubes by doing systematic study of all the phenomena involved in the whole process.
The current research was a work of field emissio
The aim of the current research is to describe the low-voltage and highcurrent field emission from idealistic cold cathode materials, diamond, AlGaN, and carbon nanotubes by doing systematic study of all the phenomena involved in the whole process.
The current research was a work of field emission from diamonds, $Al_xGa_1-xN$, and carbon nanotubes. The work was made by investigating the transport through the metal-cathode interface, the conduction through the cathode material, and the emission through cathode-vacuum interface. We first considered the effects of the barrier height, the carrier concentration, and the field intensity at each process. Then we investigated the field emission from the wide bandgap semiconductors, diamond and $Al_xGa_1-xN$, and carbon nanotube. For further understanding the charge transport, we characterized the conduction through semiconductor and the energy of the field electrons.
The successful description of field emission from diamond, $Al_xGa_1-xN$, and carbon nanotube was made by doing systematic study of the effects of the contact barrier, the carrier concentration and the field intensity, and by calculating the field emission current density from their surfaces consistently. At the same time, we made the more basic understanding of the field emission by considering the whole process field emission from injection to emission.
The most meaningful result of the current work is to understand the field enhancement at the triple junction of metal-dielectric-vacuum. It was found that the triple junction was one of ground-breaking cold cathodes. The work of the contact barrier also yielded the meaningful result to resolve the problem of the low carrier concentration for both diamond and $Al_xGa_1-xN$. The internal field emission was found to contribute to the carrier concentration. Then we have obtained the theoretical field emission current densities from both diamond and $Al_xGa_1-xN$, which are in reasonable agreement with observation. We found that the low-voltage field emission from the carbon nanotube was attributed to the tunneling enhancement due to adsorbates as well as the field enhancement due to the nano-size. To understand the charge transport inside the wide bandgap semiconductors, we coded the Mont Carlo simulation program. It is also fruitful that for the first time, we made the analytic expression of the average energy of field electrons from n- and p-type semiconductors.
목차 Contents
- Ⅰ. 연구계획 요약문...3
- 1. 국문요약문...3
- Ⅱ. 연구결과 요약문...4
- 1. 국문요약문...4
- 2. 영문요약문...5
- Ⅲ. 연구내용...6
- 1. 서론...7
- 2. 연구방법 및 이론...10
- 3. 결과 및 고찰...24
- 4. 결론...57
- 5. 인용문헌...58
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