Brevet FR2718567A1 — publié le 19951013

I) FS;C R i PTION ('atlhode ferro('lc(triqîuic i)iir la prolduhction ed'ée('c-ons t sol procédé ic fabl)ricationI I 'invention concerne la fabrication simple et bon marche d'une source (de faisceaux d'électrons el plus particulilremn:i, t di'une callhodc fcrr,électriq(lle qui. au olloen cld'excitation répétitive av(cc dcs imll- sionr (le couranlt (de forte intenwité dans cle domaine inferieur à une microscconlde, pecut émnettre sur lunle grande surfacc (les courants d'électronq intensifs dans le milieu environnant, qui peut être (lu gaz, du plasma ou du vide. I a production (de faisceaux d'(électrons pulsés. i l aide de cristaux ou de céramiques ferroélectriqules a été décrit en détail dans les dimanides (le brevets I'R - 2.639. 1511, I)1:- 3.833.604 et Fl - 0) 42R R52 A2. ainsi que dans les documinlts Il. (Jundel Il. Ricge, I:...N. Wilson.. 1. Ilanderek et K. Zioutas, I'er- roeleclt:;ics 1f00 (I19RQ9) p. 1-16. et Il. Riegc, NIM in lPh-s. Researcih Ai 340 (1994) p. 80-8q. I e rayon d'action dc ces m(étlhodes (I'émilissionl c0nceCric (le nomibreux domaines d'application (les tec(tiiques (I'émission classiques et dépasse cri partie de beauîcoup les possibilités conventionelles. I es avantages principaux sont, outre le rend(eimlcnt élevé d'électrons, le maniement simple decs cathodes fe,'roélcctl-iqlie rbhustcs d,,is d(les conditions teIles que la compatibilité avec des atmosplhères environnantes (le gaz o(u t(le plasma av;,nt une tenmpérature ambiante élevée, sans qu'un échauffement (le la cathode ellc-mémer ne soit nécessaire, ou telles que la liberation aisée dle i'émission au moyen d'impulsions de haute tension (le faible amplitude. d'illumination par laser ou d'impulsions de pression mécanique. Toutes les cathodes ferroélectriques décrites à ce jour étaient réalisées sous la fonne (le plaques milinces à partir dt barres en matériau monocristallin ou ien matériau céramique nolycristallin fritté plus ou moins romogXt:. Des réalisations d' couches minces par (les proc(édés d(le couehes minces col1alits 0 ont également abouli l des résultats satisfaisants. I ec dcux procédés fournissent des émetteours de boinne qunalité (le grande duree dle sie et de capcité' d ét'miqsioln élevée.I 'outefois, la production d(le cathodcs fer- roêlcctriques selon (Cs deLiX procédés s;t r,'' tres (P'olotuse. Pour (le nombreuses applications. pauliculi(- reimenit celles o de ga(lades surFices (le cathodes sont nécessaire, Uln protcédé (Ie fabrication moins co- teux et plus simple est souhaitable- I es inl(olvninenits es ctIhodes ferroésectriuldes existalites, a savoir uneC fabrication coûtelise partic(ll- lieierilelit lpolire des grandes surfaces émettri(es, sont supprimés par la présenite invention. llle ptcit Cn quelque soile être considerée cormme la 'cathode (hi pauvre". De plus. elle combine avec uneC fahbricatinm simple une grande (capacité d 'émission à l des tensions d'excitation faibles dle l'ordre de centaines (le volts selon l'épaisseur ct la comp :.'objet de la présent invention est donc la mis en oeuvre d'uce cathode ferroélectrique bon marché à grandie capa'ité d'émissionI qui peut être fabriqlluée avec des techniques très simples. Ces exigences sont satisffites par tuc catlhodc 'rro-oleclcctrique constituée d'une première couche con- dluctrice, d'au moins une couche mince dc matériau fcr-roélectrique. d'aur moins un arrangement Id élcc- trode partiellement transmetteur d'électronis et d'au moins une électrode ie réception. Selon l'inveltion, la cathode ferroélcctri(que est fabriquée suivant mn procédé( comprenant les étapes su ivantes: mn mnatériau e r.oé1ectrique est brové pour obtenir uerc poudre f grains Ill'd, page 2 * le malteriau fcrroelectriquic hrov est minélanLé avec une liant pour obteilir un mélangc fcrroélec- lri(qilc avant unle conistance ltC slenbl;lc;i une palte. * lc mélanCgC fcrroéletri(lqtie est appliqué sur au moinS tiun côté (ic la couche conductricc pour former unc coucheC fcrroclecttlique. et * l'arrangement (d'lcctlrodc parliellcincnt tansmcietteur d'électrons est fixc sur la couche fcrroélcc- triquc. Dans uni mode de réalisation particuliCer- dc l'invention, les 6tapes d'appliquer la couche fcrroélec- trique ct de fixer l'arrangement d'électrode sont cffcctuées sur les dcux côtés dce la couche conductrice. Il cst ainsi possible dc réaliser des systrnes cylindrcsynétriqucs à trois tubes par cxemple. Avantageusemincnt, l'application dc la couche ferroélectriquc cst effecctuée par laminagc mécanique eou par cntiduction avec unc épaisscur définie. (Ces dcux méthodes sont ncttement plus simplc ct moins coûteuses que Ies procdés des couches minlces, tels que, par excmple. la vaporisation out l'application par pulvérisaltion ou par ('VD) (idéposition cn phasc gazeuse par procédé chimique). Dans un autre mode (ldc réalisation avantageux. l'application dc la cco cmhe ferroélectri(leic est cffectuée par immnersion de la couche conductrice dans cl mélange fcr-roélcctriquc liquide. Il est ainsi possible d'enduire la couche con- ductrice simullanémlcnilt des deux cotés avcc d(les couches fcrroélcctriqucs. Sclon un mode (le rélis:ation particlier (le l'invention la fixation (le l'arrantement d'élecctrodc par- tlicllement trallsnmettcir d'électrons sur la couche fert-oélcctriqute cst cffectuée par vaporisation à travelrs (les mlasques adaptés;' la firmne (le l'élcctrode. I 'avantage dc cette mise eCri (ixre consiste dans les faibls sollicitations mécaniq(tes ct thicrmiqucs de la couche ferroélecCtrique. l)ans un autrc mnode de réalisation de l'invention. la fixation de l'arrangement d'électrode partiellc- ment transmctteur d'électrons sur la couchc ferroélectrique est effectuée par sérigraphie. (e proccédé est plus simple que la vaporisation, mais la couche ferroélectrique doit assimiler les tensions thermniques apparaissant lors dlu trailment thermnniquc final sans s'écailler de la couche conductrice. Avantageusement, le matériau fcrroélctrique utilisé cst (lu titanate de plomb ou du titanate dc plomb-la;ithamiuin-zirc(niunl (PI ZTI), cete classc dc fcrroélcctriqucs présentant (les valcurs de polarisa- tioin spoîtlan'ée particuliremnct élcevécs. Nlais l' utilisation d'Iautrcs matériaux ferroélcctriqiues nr',st pwa Àcluc. Ia poudre ferroélcctrique ptcut être Obtenute cn broyant dcs céramiquc (dcsdits matériaux la taille mo;enne des grains (le la poudre devant étre comprise entre I pin et (. I min. ('omrme liant pour la poudre fcrro(iélectrique(llc, on peut avantageusement utiliser du plexiglas dissout (lans (lu chloroforme. cc dernier pouvant;aisencent trc évaporé par échauffement d(lu disposilif. Sclon la présente invention. (St (otc proposé uitelC catho(lde ferroélectrique constituée d' une première couche conlductrice. d';i mloins 1lii cout lic mince dc mnatériau roélectrique. d'au moins un arrangement d'électrode partiellenmenit transmetteltr id'élcctrons et d'au inmoins une clectrode dle réception, la cathode étant caractérisée ce ce quc la couiche festoélctlriqlc cst constituée d'un mélrlange de matériau ferroélec- trique pulverisé et ed'tn li;an DCeux modes le l'éalisation le la pr(ecnlt(' iventioil vont maintenant être d(éecrits dans la descripltiel suivantile, titre d'cxcmples non limitatifs. cli réferénce aux (dessins joints, sur Icquels: la figure I rcprésiente schémnatiquemenlt uine cathode sclon un premier mode (le réalisation dc I'in- ciîtion, ct la figure 2 reprscnlte schémnatiquemient titc cathiode scli titi nsecolid modle (le réalisation (lc il- ve'ltitI o. p:,ec 3 i a cathode reprcscnlce sur la lig Iest constltitc d'lcune couchlle conductrice plane RE, par exaptill)lc UIe Clecitrodc d(le base, qui pcut avoir une forrmc (tluC(lclquce Ct qui cst réalisée Cil Un matcriau COl(illc- (Cur, ItelC quc (le la tiec mctallique par cxcnmple. Sur un dics c6ités dlc citte couche conductrice RF,. Ic côté supérieur sur la fig. 1, cst applique unc mince couche frrroélcctriquc I 1'. Selon I invention, ceCttC couche fcrroélcctriqtie '[T sc compose d'un nmatéiau fcrroélcclriqic brovc sous forme (le poudrc à grains fins tcl (Im liant organiquc ou atoirganlliqie non-conductcur. Cormme matériau fcrroélectrique, on utilise avai- tageuscinecnt du titanate dc plomb ou du PU ZTI (titulatce de plomb-lantanium-zirconiunm), qui présentent lecs valeurs (ldc la polarisalion spontanéic 1e c\es et qui peuvent aisément ctre bhoyis à partir dc desdits imatériaux céramiques pour former unc pou(drc à grains fins. I.a taille moyennics d(les grains devrait ltre10 inféricur i environ I.l 1 min, pour quc I homogénéité d(le la couche ferroélcctri(quie soit garantie, mais nc dcvrait pas tlrc inférieure à cnviron I /in., pour assuirer la formiation (le la phase fecrroélectrique. I c liani peuit î'rc par exemple du plexiglas (diissout dans d u(l chloroformc. I a poudre ferioélectri(lil( cit le liantl sont m (Iblan. c- (It ma lir oi sistance semblablc ui tnc pilc..\prés applicnlion (de cc mélange fcrroélcctriq(luc sur la couche condicictc RF-, ce qui petut par exemple tre obitenr par laîilîîage (lu par cnduction avec ulle épaisseur d(lhnie. le solvanit. c'cst à dlire le chloroformnc dans noire excmple, cst facilement évapoié par échauffement A-/\vttu- tagcuscmenit la couchc condulctlricc RI pecut aussi:tre immergée danis le mélange ferroélectriquc. rai (loi laditcle couchlc (conductrice Rl csl cndiite simultanémcelt des dcux cotes avec une telle couchc fcrio- électrique Il Tloutefois, les autres méthod application du mélanlgc ferroélectrique sur les deux c6tés (le la couche conductiice (RI). Sur la couchc fcrroélectrique 1:1 cst fixé un arrangemenlt d'électrodc G(I. Ceci cst réalis' par example par vaporisation. par pulverisation cathodique ou par sérigraphie sur la c6té émetteur dc la couche fcrroélectrique 1l,. Selon l'invention, l'arrangement d'électrode GE est partiellement transmctintcur pour les électrons à émcttre et est par examnple réalisé sous la forme d'une grille à bandes ou à trous. I:acc à la surface écmettricc (le la couche ferroélectriquc Fl, c'est à d(lire face à l'arrangement d'é1cc- trode GiF, est disposée uCe -lccirolc dc(le réccption Z;'1 (Anode) par laquelle Ic circuit émetteur est fermé électlriquement. i'éleclrode dlc técc)ptio ZI:1 est s dparée le 'a'angemnt d'éleccitrode GF' par un volilinc dans Icqucl la cathode émeit ldcs ''le'rous. ('c vluinc,cult avantaeetcsement contenir un vide poussé, dit gaz ou du plasma. Sur la figure 2 csl représenté un second mO(de (le réalisation (le l'invcnltion, dJans lequel la cathlode cst ar'ange dants,meu c(ifiguration coaxialc céidC ytriquc a tr(ois tlubhes. I e tube central. cos-tit6llé de la couche codulc'lice RIL, est pouir i respccti\iement a i ihitiérieur et à l'extérieur avc uc U l((ouche fcrroélectriqe émettclricc I:: ct [J1:2. qi témettlent chlactiie (leq électrons rcspcctivemneit sur le lube' inteérieur, c'cst à (lire l'élecitrode(l de rccptlion Z7 I. et sur ie tube cxtérieur. c'est à dire l'électrodc dc réception Zl:2. I l'arrngeicnt rcmnferme *leCx volumnes. qui sont d'abord remplis avec des gaz inertes, qui peuvent être diffécrcits et qui. aprés ioiis;qtioi par des faisceaux d'électrons emnis, peuvent étre illcités:i des réactions chiiiiqîles par l'iiincrinédiaic d('ouivcrituircs d(le liaison dans le système (le tube. A la place dî gaz sous pression quclconquc, cl svstlmc i- Clut alussi tre rempli avec du plasma. I cs dieux mo(des de réalisaiolis sontl ba'és sur le faiit. que. lors du fonctioinnement d'émission avc uni taux d(le l'petition levé. de grandes quantités dle gaz peuvent être activées et mises cll réaction en ch'- culanit à travers de ces s\stemes. Il est toutcfois à unoteî. q,'en raison de la longueur de clcmini lilbrc des électrons dépeld;cl ctii le la pression du gaz. lesdlits élecitrohs ayait une énergie cinétique le l'orhdre de l'amplitudle adéquat (lec la dislance entrc l'lcctrodc de rc"cption;F ct l'arrangenment d'lectrode (GiE. Il faut galecmcnt notcr. quc pour l'utilisaIion de surfaces d'émission (ie la taille de quclques cen- taines d(c cmi2 jusqu'au mn2, des éncrgics ilcctri(qles primaires, particulièriemcnt des puissances d 'iipmul- sions d'excilation très célevéces doivcnt étrc louirnics I)e telles impulsions d(e haut puissance pecuvelt ctIe produitcs par lc montagc cni parnllcl ic leIi icurs pctils génératecus d'impulsion ayant une impédancc basse ou par des générateurs d iipulsions SCpéciaux,î haute puissance et fort courant avant unec impé- (lance basse. ID)ans les deux modes (ldc ralisalio. ont été dCcrits tine cathode plane, émiltricc d'ulin c6té c trune calihode cllindrique émittrice (lecs deux (otés. Il s csl alir. quc la catlhode scelon l'invention peotit adoplcr unc forinmc quelconquc. llie pourrait par example étrc convexe. concave, ou sphérique ct éniettric dans tous les cas soit uiniquiciicilmnt d'un coté, soit des deux cttés. page 5 REVENDICATIONS I. Proc(édé (i e fabrication d'une cathode ferroiélectriquc, constituce d'une premicre couchec con- ductrice (Ri). d'au moins unc couchc mince dc matériau fcrroélcctrique ( F,), d'au moins un arrangement d'électrodc ((il) partiellement transmettecur d'électrons ct d'au moins une éilec- trode de réception (7Z,). caractérisé par les étapes suivantes: - braoyer un matériau ferroélectrique pour obtenir une poudre à grains fins, - mélanger le matériau ferroélectrique broyé avec un liant pour obtenir un mélangc fcr- roèlecirique avant une consistance semblable à une pite, - appliqucr le mélange ferroélectrique sur au moins un côté de la couche conductrice (RF,) pour former unc couche fecrroélectrique (F1), - fixer un arraniigement d'électrode ((il) partiellement transmetteur d'électrons sur la couche ferroélcct liquc (1:1). 2. Procédé dc( fabrication d'une cathode ferroélectrique selon la revendication 1, dans lequel les étapes d'appliquer la couche fcrroélectriquc (EU) et de fixer l'arrangement d'électrode (GE) sont cffectuées sur les deux côtés de la couche conductrice (R>,). 3. Procédé (de fabricati(on d'uile cathode ferroélectrique selon la rcvendicaliot I ou la revcndica- tion 2, dans Icquel l'étape d'appliquer la couche fcrroélectriquc (:1.) est effectuée par laminage ou par enductiotn. 4. Procédé de fabrication d'une cathode ferroélectrique selon larevendication I ou la revendica- tion 2, dans lequel l'étape d'appliquer la couche ferroélectrique (:E) est effectuée par immer- sion de la couche conductrice (RE) dans le mélange ferroélectrique. 5. Procédé (le fabrication d'une cathode fcrroélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes. dtlan lequel l'étapc (le fixer l'arranigement d'électrode (GI.) partiellement transmet- teur d'électrons sur la couchec fer('électriquc (FE) est cffcctuée par vaporisation à travers des ? 5 masques. 6. Procédé (le fabrication d'une cathode fcr-iélcctrique selon l'une quelconquc des revendications I à 4, dans lequel l'éctape (le fixer l'arrangement d'électrode (GE) partiellement transmetcteur d'électrons sur la couche ferroélectrique (1U') cst effectuée par impression ou par sérigraphie. 7. Procédé (le flhbrication d'unei calhodc ferroélectrique selon l'une quelconquc d(les reven(lications précédentes, danIs Icquel le matériau ferroélectrique est (lu titanate (ldc plomb ou du PI ZT (tita- nate dce plonb-lanthanilin-zirconium). 8. Procédé de habrication d'une cathode fcrroélectrique selon l'unc quelconque des revendications précédentes, dlans lcequel la taille moycnnei (les grains du matériau ferroélectrique broyé est comprise cntre environ I ni C't lenviron t. I mm. 9. Procédé (le fablhrication (l'unc cathode tierrocilectrique selon l'unc quelconque des revendications précédentes. dans Icquel cle liant est du plexiglas dissout dans du chloroforme. 10. (Cathode fcrroélectlrique constituée d'une première couche conductrice (RE) d'au moins une couche mince dc matériau ferroélcctrique (FU), d'au moins un arrangement d'électrode (Eil) partiellement transmetteur d'électrons ct (d'au moimis une électrode de réception (7ZE), caiacteri- sce Cen cc quc la couche ferroélectrique (11E) est constituée d'un mélange de matériau fcrroiélec- trique pulverisé et d('un liant.