Deutsch

Durch eine verbesserte naßchemische Oberflächenpräparation wurde in den letzten Jahren auf kleinen (cm²) Proben ein deutlicher Fortschritt in der Unterdrückung der überhöhten Feldemission (EFE) erzielt. Der Betrieb supraleitender Beschleunigungsresonatoren wird jedoch nach wie vor durch die EFE begrenzt. Um die Ursachen der EFE in Resonatoren zu verstehen und deren Präparation zu verbessern wurden Niobproben in TESLA-Resonatoren naßchemisch präpariert und mit Hilfe eines Feldemissionsrastermikroskopes untersucht. Diese Apparatur kombiniert räumlich hochaufgelöste (~ 1 µm) Feldemissionsanalysen mit einer in situ Charakterisierung von Morphologie und chemischer Zusammensetzung. Aus der ermittelten Dichte und den Eigenschaften der lokalisierten Emitter auf diesen Proben wurde das Verhalten eines TESLA-Resonators statistisch abgeschätzt. Das Einsetzen der EFE bei elektrischen Beschleunigungsfeldstärken zwischen 7 MV/m und 14 MV/m machte deutlich, daß die gegenwärtige Präparation der Resonatoren noch verbessert werden muß. Erste Modifikationen in einzelnen Präparationsschritten zeigten bereits eine Verbesserung. Die Konditionierung einzelner Emitter durch hohe DC-Ströme oder Ar-Ionenbeschuß demonstrierte die physikalische Wirkung des für Resonatoren eingesetzten "High Peak Power Processing" und des "He-Processing". Emissionsströme zwischen 0,9 µA und 2000 µA je Emitter und Ionendosen von ca. 1022 cm-2 (1 keV) führten zu teilweiser oder vollständiger Zerstörung von Emittern. Die Feldemission (FE) von Partikeln und mechanischen Defekten (≤ 100 MV/m) sowie von "natürlich" rauhen Nb-Oberflächen (≤ 3 GV/m) konnte hauptsächlich auf die Fowler-Nordheim-(FN-) Emission geometrisch feldüberhöhender Strukturen zurückgeführt werden. Veränderungen im Emissionsverhalten aufgrund der Anwesenheit von Adsorbaten wurden im Rahmen der Theorie des resonanten Tunnelns modelliert. Somit konnte der Mechanismus erklärt werden, der zu einer unerwarteten Korrelation zwischen den beiden FN-Parametern β FN und SFN, sowie zu unrealistisch hohen und stark streuenden Werten von SFN führt. Der Einsatz der FE für kalte Kathoden, speziell die EFE von dünnen Diamantschichten, gewinnt im Bereich der Vakuum Mikroelektronik mehr und mehr an Bedeutung. Es zeigte sich jedoch, daß die EFE von CVD-Diamantfilmen bei ~1 V/µm ihren Ursprung in lokalen Defekten aufgrund metallischer Verunreinigungen hat und für Anwendungen nicht geeignet ist. Dagegen weist die bei einigen 100 V/µm stattfindende "intrinsische" FE solcher Filme vielversprechende Eigenschaften auf. Deshalb wurde eine Serie von CVD-Diamantfilmen unter systematischer Variation der Depositionsbedingungen hergestellt und im Hinblick auf den Emissionsmechanismus und mögliche Anwendungen untersucht. Der beträchtliche und von Probe zu Probe variierende Gehalt an Fremdphasen und die Oberflächenmorphologie der Filme waren mit deren Feldemissionsverhalten korreliert. Die emissionsbestimmende Potentialbarriere wurde an der Film-Vakuum-Grenzschicht lokalisiert und die FE wies typische Adsorbateffekte auf. So konnte auf eine "quasi-metallische" FE aus elektronischen Zuständen 4 eV bis 5 eV unterhalb des Vakuumlevels geschlossen werden. Ionenimplantation und Stromkonditionierung führten im allgemeinen zu einem verbesserten Emissionsverhalten. Einem Einsatz solcher Filme in Anwendungen steht aber die hohe Einsatzfeldstärke und die geringe Uniformität der Emission entgegen. Letzteres ist auch ein Problem für den Einsatz von ebenfalls untersuchten diamantbeschichteten Si-Mikrostrukturen.

English

A considerable progress in suppressing the enhanced field emission (EFE) of small (cm²) samples was recently achieved by an improved wet surface preparation technique. The performance of superconducting accelerating cavities, however, is still limited by the EFE. In order to understand the origin of the EFE in cavities and to improve their performance Nb samples were wet-chemically prepared inside TESLA cavities and investigated by means of a field emission (FE) scanning microscope. This setup allows µm-resolved characterization of the FE properties in combination with in situ analysis of morphology and chemical composition. The performance of a TESLA cavity was statistically estimated from the density and the properties of the localized emitters on these samples. The onset of the EFE at accelerating gradients between 7 MV/m and 14 MV/m indicated the need for an improvement of the cavity preparation techniques. First modifications in the preparation steps showed promising results. High DC current processing and Ar ion bombardment of single field emitters on Nb-samples demonstrated the physical effects of High Peak Power Processing and He-Processing, which are used in cavities. FE currents between 0.9 µA and 2000 µA per emitter and ion doses at about 1022 cm-2 (1 keV) resulted in partially or completely destroyed emitters. It was found that the physical mechanism of the FE from particles and mechanical defects (≤ 100 MV/m) as well as from naturally rough Nb surfaces (≤ 3 GV/m) is mainly based on the Fowler-Nordheim-(FN-) emission from geometrically field enhancing structures. Changes in the FE behavior due to the influence of adsorbates were modeled in the framework of the resonant tunneling of emitted electrons. Thus, the mechanism for the inexplicable correlation between the two FN-Parameters β FN and SFN, as well as unrealistically high and widely varying values for SFN could be explained. The use of the FE for cold cathodes, especially the EFE from diamond thin films, is a subject of growing interest in Vacuum Microelectronics. EFE from CVD diamond at ~ 1 V/µm was found to originate from local defects due to metallic impurities and turned out to be unsuitable for applications. However, the "intrinsic" FE from such films, observed at several 100 V/µm, exhibits promising properties. CVD diamond films with systematically varying deposition parameters were investigated with regard to the FE mechanism and potential applications. Their considerable, but varying content of non-diamond carbon and their surface morphology were correlated with the FE behavior. The current limiting potential barrier was localized at the film-vacuum-interface and the FE was sensitive to adsorbate effects. A metal-like FE from electronic states 4 eV to 5 eV below the vacuum level could be concluded. In general, ion implantation and current processing resulted in improved FE properties. Obstacles for the application of such films are the high onset field strength and the poor uniformity. The latter is also a problem for the use of diamond-coated Si-microstructures investigated here.