АВТОЭМИССИОННАЯ ЯЧЕЙКА НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА

Настоящая полезная модель относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к электровакуумным устройствам, основанным на эмиссии электронов. Данная полезная модель может быть интегрировано в высокотехнологические макроскопические системы отображения и визуализации информации.
Из существующего уровня техники аналогом заявляемого объекта является автоэмиссионный катод (RU159226U1, опубл. 19.08.15). Сущность полезной модели заключается в том, что автоэмиссионный катод содержит ситаловую подложку, контактный металлический слой и алмазоподобную кремний-углеродную пленку, которая обладает примесями различных материалов: Ti, Nb, Zr и Ta.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются наличие полупроводникового основания, контактного металлического слоя и углеродного наноразмерного эмиттирующего слоя.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: неуправляемость процесса эмиссии электронов в связи с высокой площадью основании эмиссии; механические напряжения, вызванные сложной связью в эмиттирующей пленке кремний-углерод-металл; относительно высокий порог начала автоэмиссии в полученных структурах, так как, в следствие высокой технологической сложности формирования на поверхностном слое металлосодержащих наноразмерных композитов существует возможность появления неоднородных беспорядочных участков эмиттирующей поверхности.
Известен аналог заявляемого объекта автоэмиссионный катод (RU 171829U1, опубл. 30.11.16). Сущность полезной модели заключается в том, что автоэмиссионный катод содержит углеродную пленку и токопроводящее основание, выполнен в форме острия на углеродной грани карбида кремния, на поверхность которого нанесена наноуглеродная пленка, состоящая из 3-10 слоев графена, а на кремниевую нижнюю грань карбида кремния нанесена пленка никеля с подслоем титана, расположенный на токопроводящем основании.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, является наличие полупроводникового основания, контактного металлического слоя и углеродного наноразмерного эмиттирующего слоя.
Недостатком данного технического решения является выращивание графеной пленки методом термической деструкции, из-за чего получаемая эмиссионная поверхность в виде углеродного наноразмерного слоя будет иметь механические напряжения, за счет которых возможно появление неоднородности потока электронов.
Известен аналог заявляемого объекта «автоэмиссионный элемент с катодами на основе углеродных нанотрубок и способ его изготовления» (RU 2590897С1, опубл. 10.07.16). Данный автоэмиссионный элемент включает в себя полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован изолирующий слой; катодный узел, расположенный над изолирующим слоем и состоящий из токоведущего и контактного слоев, и углеродных нанотрубок, расположенных на поверхности контактного слоя; опорно-фокусирующую систему, состоящую из первого диэлектрического, затворного электропроводящего и второго диэлектрического слоев, расположенную на верхней поверхности катодного узла и содержащую сквозную полость; анодный токоведущий слой, расположенный на внешней поверхности второго диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, в котором сформированы сквозные технологические отверстия.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются наличие полупроводникового основания, изолирующего диэлектрического слоя и углеродного наноразмерного эмиттирующего слоя.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются неэффективное количество операций по формированию диэлектрических и затворных слоёв, нерациональное использование геометрических размеров опорно-фокусирующей системы, а также использование нанотрубок в качестве основного материала автоэмиссионного катода.
Из всех известных аналогов наиболее близким к заявленному техническому решению является «источник электронов с автоэлектронными эмиттерами» (RU 2586628C1, опубл. 12.12.14). Сущность полезной модели заключается в том, что содержит множество управляемых автоэмиссионных ячеек, сформированных на подложке с последовательно нанесенными на нее изоляционным и проводящим слоями, имеющими множество отверстий. В каждом из таких отверстий на подложке размещен автоэлектронный эмиттер. Каждая ячейка образована эмиттером, являющимся вместе с занимаемой им частью подложки катодом ячейки, а ее управляющим электродом является примыкающая к отверстию в проводящем слое часть этого слоя. Особенностью данного источника является то, что в подложке вокруг эмиттера выполнено кольцеобразное углубление, поверхность которого покрыта изоляционным материалом или окислена.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются наличие полупроводникового основания, изолирующего диэлектрического слоя, контактного металлического слоя и углеродного наноразмерного эмиттирующего слоя.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: низкий уровень выхода электронов из-за расположения автоэмиссионных катодов внутри кольцевых углублений ниже проводящего слоя; высокая технологическая сложность, которая определяется количеством выполненных процессов для конечного формирования наноразмерной структуры.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание высокоэффективной автоэмиссионной ячейки за счет повышения плотности автоэмиссионного тока, временной стабильности параметров катода и уменьшения работы выхода электронов с поверхности катода.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой технологии автоэмиссионная ячейка выполнена на основе плёнок графена, сформированных методом плазмохимического осаждения на поверхностно модифицированном слое металла, профилированного с помощью метода плазмохимического травления, в форме наноразмерных вертикально ориентированных столбчатая структура.
Суть полезной модели заключается в том, что при формировании активной области эмиссии электронов первоначально формируется столбчатая структура из проводящего материала, после чего производится нанесение углеродных наноструктур.
На фиг. 1 и 2 приведены изображения устройства автоэмиссионной ячейки.
Предполагаемая автоэмиссионная ячейка (фиг. 1, 2) содержит подложку 1, выполненную из полупроводникового материала, со сформированным изоляционным слоем 2, выполненным из диэлектрического материала, а также контактный слой 3, выполненный из проводящего материала и верхняя часть которого преобразована в столбчатую структуру - вискеров, на котором выращивается пленка наноразмерной углеродной структуры 4, которая выступает в качестве эмиттирующего участка получаемого устройства.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. При нахождении автоэмиссионной ячейки (фиг. 1) в электрическом поле она начинает эмитировать электроны сквозь потенциальный барьер путем туннелирования. За счет применения метода фокусированных ионных пучков возможна вариация геометрическими параметрами острия 4 и тем самым более точная локализация поля эмиссии. Автоэмиссионная ячейка, благодаря локализации поля на ее острие (4) с радиусом закругления 10-30 нм и высотой 100-150 нм, представляющей собой систему контактного слоя (3) и наноразмерной углеродной пленки (4), состоящей из 3-10 слоев графена, снижающей работу выхода электронов до 1 эВ и менее, позволяет получать эмиссию электронов достаточной плотности при напряжениях до 8 В.
Технико-экономические преимущества предполагаемой полезной модели перед известными аналогами заключаются в особенностях углеродных наноструктур, обладающих высокой температурной и радиационной стойкостью, прочностью и проводимостью, а также способностью к низковольтовой эмиссии электронов, которые в совокупности позволяют иметь более стабильные параметры эмиссионного тока. Применение наноразмерных вискеров позволяет упростить и адаптировать процесс формирования углеродных наноструктур и автоэмиссионный ячейки для массового производства. Особенностью применения автоэмиссии является низкие затраты ресурсов для формирования свободных электронов, что позволяет снизить стоимость производства. Все это, в целом, позволяет расширить возможности применения наноразмерных автоэмиссионных элементов при создании диодов, дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ-электроники.