Orientador: Marco Antonio Robert Alves / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T17:44:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tirolli_MarceloNogueira_M.pdf: 2758197 bytes, checksum: 08f6e633be3e083c0e72c41959dd296d (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo o estudo do comportamento elétrico de uma ponteira de emissão de campo, modelada na forma de um hemisfério sobre um poste, através de recursos computacionais (simulações). Escolhemos o software comercial Ansys, que utiliza o método dos elementos finitos nas análises dos fenômenos físicos para obtenção do campo elétrico na superfície da ponteira. Em seguida, foi desenvolvido também um programa computacional que realiza o cálculo da corrente de emissão baseado na teoria de emissão de campo de Fowler-Nordheim (F-N). Para calcular a corrente, o programa faz uso dos resultados das simulações do campo elétrico obtidos no software Ansys. Apresentamos também os resultados da influência que as dimensões como o raio de curvatura do hemisfério, a altura da ponteira e a distância entre anodo e catodo exercem sobre o comportamento do campo elétrico, da corrente de emissão e de outras grandezas físicas que envolvem emissão de campo / Abstract: This work aims to study the electrical behavior of a field emission tip, shaped in the form hemisphere on a post, through computational resources (simulations). We chose the Ansys commercial software that uses the finite element methods in the analyses of the physical phenomena to obtain the electric field in the surface of the tip. After that, a computational program was also developed to perform the calculation of emission current based on Fowler-Nordheim (F-N) field emission theory. To calculate the current, the program uses the results of the electric field simulations gotten in Ansys software. We also show the results of influences that dimensions such as the hemisphere curvature radius, the height of the tip and the distance between anode and cathode exert on the behavior of the electric field, emission current and other physical quantities that involve field emission / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Dispositivos de emissão de elétrons por efeito de campo elétrico (FE - Field Emission Devices) têm sido propostos para aplicações como fontes eficientes de elétrons em nanolitografia, microscopia eletrônica, sensores microeletrônicos de vácuo, entre outras. Atualmente os sistemas tradicionais utilizados para caracterização de dispositivos FE fornecem apenas o comportamento geral da emissão de elétrons, ou seja, não permitem efetuar uma investigação mais seletiva e precisa dos centros emissores que constituem o dispositivo, durante seu funcionamento como dispositivo. Frente a esta lacuna, este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de caracterização de dispositivos emissores de elétrons através do processamento de imagens integrado ao tradicional levantamento da característica corrente-tensão (I-V) do dispositivo. Tais imagens são obtidas através do impacto dos elétrons em uma tela fosforescente. A plataforma LabVIEW foi aplicada para o desenvolvimento do algoritmo de processamento dos sinais, que incorpora desde a etapa de aquisição dos dados (ou seja, medições realizadas pelos instrumentos) até a apresentação dos resultados em diferentes formatos (imagem ou representações gráficas), à escolha do usuário. O sistema desenvolvido permitiu avaliar, quantificar e identificar a distribuição da corrente de emissão em distintas regiões de interesse de amostras compostas por microestruturas ou filmes emissores de elétrons, resultando em representações gráficas bi e tridimensionais. Complementarmente, o sistema também permitiu comparar o desempenho dos dispositivos de emissão de elétrons por efeito de campo elétrico e estudar os efeitos físicos relacionados ao impacto dos elétrons em diferentes tipos de telas fosforescentes. Esta proposta resultou em uma ferramenta inovadora para análise de emissão de elétrons, com a vantagem de manter o dispositivo dentro do seu ambiente de operação, em alto vácuo, representando um grande avanço na metodologia aplicada para se obter características operacionais de dispositivos FE e proporcionando uma caracterização com qualidade superior, visto que proporcionou uma avaliação localizada dos centros emissores numa dada matriz. / Field emission devices (FE devices) have been proposed as efficient sources of electrons for applications in nanolithography, electron microscopy, microelectronic vacuum sensors, among others. Nowadays, the traditional FE characterization systems provide only information related to the general behavior of the electron emission, that is, they do not have specific tools to execute more selective and precise investigation of the emitting centers during their operation as device. As an alternative, this work proposes the development of a dedicated system for characterization of FE by integrating image processing with the traditional current-voltage (I-V) characteristics of the devices. Such images are obtained by the impact of electrons on a phosphorescent screen. The LabVIEW platform was applied to develop the algorithm of signal processing. This algorithm processes information from the data acquisition stage (instruments measurements) to the presentation of the results in different ways (image or graphical representation), according to the researcher´s choices. The developed system allowed evaluating, quantifying and identifying the emission current distribution in different regions of interest of samples composed by microstructures or thin emitting electron films, whose results could be represented in two and threedimensional graphics. Additionally, the system also allowed comparing the performance of electron emission devices by electrical field effect and studying physical effects related to the impact of electrons in different types of phosphorescent screens. This proposal resulted in an innovative tool for electron emission analysis, with the advantage of keeping the device inside its high vacuum characterization environment, which represents a significant advance in the methodology applied to obtain operational characteristics of FE devices and to provide a characterization with superior quality, since it provided a localized evaluation of the emitting centers in a given matrix.

Dispositivos de emissão de elétrons por efeito de campo elétrico (FE - Field Emission Devices) têm sido propostos para aplicações como fontes eficientes de elétrons em nanolitografia, microscopia eletrônica, sensores microeletrônicos de vácuo, entre outras. Atualmente os sistemas tradicionais utilizados para caracterização de dispositivos FE fornecem apenas o comportamento geral da emissão de elétrons, ou seja, não permitem efetuar uma investigação mais seletiva e precisa dos centros emissores que constituem o dispositivo, durante seu funcionamento como dispositivo. Frente a esta lacuna, este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de caracterização de dispositivos emissores de elétrons através do processamento de imagens integrado ao tradicional levantamento da característica corrente-tensão (I-V) do dispositivo. Tais imagens são obtidas através do impacto dos elétrons em uma tela fosforescente. A plataforma LabVIEW foi aplicada para o desenvolvimento do algoritmo de processamento dos sinais, que incorpora desde a etapa de aquisição dos dados (ou seja, medições realizadas pelos instrumentos) até a apresentação dos resultados em diferentes formatos (imagem ou representações gráficas), à escolha do usuário. O sistema desenvolvido permitiu avaliar, quantificar e identificar a distribuição da corrente de emissão em distintas regiões de interesse de amostras compostas por microestruturas ou filmes emissores de elétrons, resultando em representações gráficas bi e tridimensionais. Complementarmente, o sistema também permitiu comparar o desempenho dos dispositivos de emissão de elétrons por efeito de campo elétrico e estudar os efeitos físicos relacionados ao impacto dos elétrons em diferentes tipos de telas fosforescentes. Esta proposta resultou em uma ferramenta inovadora para análise de emissão de elétrons, com a vantagem de manter o dispositivo dentro do seu ambiente de operação, em alto vácuo, representando um grande avanço na metodologia aplicada para se obter características operacionais de dispositivos FE e proporcionando uma caracterização com qualidade superior, visto que proporcionou uma avaliação localizada dos centros emissores numa dada matriz. / Field emission devices (FE devices) have been proposed as efficient sources of electrons for applications in nanolithography, electron microscopy, microelectronic vacuum sensors, among others. Nowadays, the traditional FE characterization systems provide only information related to the general behavior of the electron emission, that is, they do not have specific tools to execute more selective and precise investigation of the emitting centers during their operation as device. As an alternative, this work proposes the development of a dedicated system for characterization of FE by integrating image processing with the traditional current-voltage (I-V) characteristics of the devices. Such images are obtained by the impact of electrons on a phosphorescent screen. The LabVIEW platform was applied to develop the algorithm of signal processing. This algorithm processes information from the data acquisition stage (instruments measurements) to the presentation of the results in different ways (image or graphical representation), according to the researcher´s choices. The developed system allowed evaluating, quantifying and identifying the emission current distribution in different regions of interest of samples composed by microstructures or thin emitting electron films, whose results could be represented in two and threedimensional graphics. Additionally, the system also allowed comparing the performance of electron emission devices by electrical field effect and studying physical effects related to the impact of electrons in different types of phosphorescent screens. This proposal resulted in an innovative tool for electron emission analysis, with the advantage of keeping the device inside its high vacuum characterization environment, which represents a significant advance in the methodology applied to obtain operational characteristics of FE devices and to provide a characterization with superior quality, since it provided a localized evaluation of the emitting centers in a given matrix.