ПОЛЕВОЙ ЭМИТТЕР

Полезная модель относится к материалам электронной техники, а более конкретно к полевым электронным эмиттерам.
Использование полевых эмиттеров представляется привлекательным при построении широкого класса вакуумных электронных устройств. Однако полевые эмиттеры, как правило, применяются лишь в условиях сверхвысокого вакуума [E.E.Martin, J.K.Trolan, W.P.Dyke. Stable, High Density Field Emission Cold Cathode. // J. Appl. Phys., 1960, v.31, №5, p.782-789]. Принято считать, что только в этих условиях можно свести к минимуму вредное влияние ионной бомбардировки на функционирование полевых эмиттеров и обеспечить удовлетворительную их долговечность.
Для получения интенсивной полевой эмиссии при умеренных рабочих напряжениях на их поверхности создают структуры усиливающих электрическое поле выступов и/или специальные активирующие (снижающие работу выхода) покрытия. Ионная бомбардировка ведет к распылению поверхности и это, как правило, является причиной выхода из строя полевых эмиттеров.
Известен полевой эмиттер и способ его изготовления (варианты) [Патент RU 2150154 С2]. Эмиттер выполнен из однородного по составу материала в виде композита, в котором зерна алмаза связаны между собой пирографитом. Такой полевой эмиттер обеспечивает низкие пороги полевой эмиссии благодаря присутствию алмазных зерен на поверхности и усилению поля на заданных при изготовлении неоднородностях поверхности. По мнению авторов, такой эмиттер должен быть, кроме того, устойчив к бомбардировке ионами остаточных газов, так как при ионном распылении рельеф поверхности однородного по объему эмиттера должен воспроизводиться. Можно согласиться с ожиданиями авторов, если достаточно велика площадь поверхности эмиттера. У катодов же с малыми размерами эмитирующей поверхности, соизмеримыми с размерами зерен алмаза, изменения тока эмиссии во времени должны быть велики. Между тем, источники эмиссии малого сечения представляют большой практический интерес, например, для использования в СВЧ электронике или при создании рентгеновских трубок, для формирования электронных потоков малого сечения, но с большой плотностью тока, применяемых для выполнения разнообразных технологических операций. Указанный недостаток сужает область применения эмиттера данного типа. Недостатком предлагаемого эмиттера является также сложность используемой технологии. Кроме того, вызывает сомнение возможность получения больших токов с помощью предлагаемых композитных катодов. Усиление поля на поверхности распределенных композитных катодов большой площади невелико и для получения больших токов требуются, видимо, неприемлемо большие напряжения в реализуемых на практике устройствах.
Большое усиление поля удается реализовать на поверхности острийных катодов с радиусом вершины порядка или меньше микрона. Однако такие катоды при их эксплуатации в условиях технического вакуума быстро разрушаются под действием бомбардировки ионами остаточных газов.
60
60
6
7
2
Известен способ повышения долговечности острийных полевых эмиттеров [Т.А.Тумарева, Г.Г.Соминский, Разработка и совершенствование полевых эмиттеров на основе содержащих углерод материалов, // Известия вузов, Прикладная нелинейная динамика, 2009, т.17, №3, с.17-54], работающих в техническом вакууме, в котором для защиты эмиттера от разрушающего воздействия бомбардировки ионами остаточного газа на него наносят защитное фуллереновое покрытие. Для снижения рабочих напряжений, при которых эксплуатируются такие эмиттеры, на поверхности фуллеренового покрытия создают распределенные структуры приблизительно одинаковых по размерам выступов. Недостатком фуллереновых покрытий (как и любых других углеродных или содержащих углерод покрытий) является то, что они обладают большой работой выхода (около 5 эВ). Поэтому, даже при использовании усиливающих электрическое поле выступов на поверхности, полевые эмиттеры с фуллереновыми покрытиями могут работать при умеренных напряжениях только в том случае, если в результате активирования уменьшена работа выхода покрытия. Нанесение на поверхность фуллереновых покрытий снижающих работу выхода материалов (например, щелочно-земельных элементов типа калия) не позволяет осуществить длительную работу покрытия при пониженных напряжениях, так как нанесенные атомы активирующего вещества быстро уходят вглубь покрытия или под него. Для получения устойчивого снижения работы выхода фуллереновые покрытия подвергают обработке потоком медленных (с энергиями ~40-100 эВ) ионов калия. Активирование потоком ионов калия позволяет более, чем в два раза, понизить рабочие напряжения, необходимые для отбора фиксированного тока полевой эмиссии из-за образовании в покрытии устойчивых металлофуллеренов типа эндоэдралов C@K и/или экзоэдралов K@C. Но необходимость ионной обработки усложняет технологию создания защитных фуллереновых покрытий. С одиночного острийного эмиттера удается получать большие плотности тока эмиссии (ориентировочно до 10-10 А/см), но невозможно получить больших полных токов эмиссии свыше 100-150 мкА. Это ограничивает возможности применения острийных полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями.
Для получения существенно больших токов создают многоострийные полевые эмиттеры.
-7
-6
6
7
2
Известны многоострийные полевые эмиттеры, способные долговечно работать в техническом вакууме [I.Brodie, C.A.Spindt, // Microelectronics. Advances in Electronics and Electron Physics, 1992, v.83, p.1-107]. Функционирование таких эмиттеров в системах, которые принято называть спиндтовскими, осуществляют при рабочих напряжениях, не превышающих несколько сотен вольт. В этом случае из-за малой энергии бомбардирующих катод ионов остаточных газов сводится к приемлемому минимуму ионное распыление материала эмиттера. Чтобы обеспечить достаточно интенсивную полевую эмиссию при таких напряжениях, в ячейках Спиндтовских систем устанавливают острийные катоды с малым (меньше или порядка 1 мкм) радиусом вершины, и управляющий электрод, напряжение которого определяет величину поля у острия, устанавливают на расстоянии порядка микрона от вершины острия. В одиночной ячейке Спиндта токи эмиссии, как правило, не превышают 10-10 А. Чтобы получить существенно большие токи, создают спиндтовские структуры, включающие до 10-10 ячеек на 1 см. Технология создания спиндтовских структур чрезвычайно сложна и это препятствует широкому их практическому использованию. К тому же, спиндтовские структуры могут быть, видимо, достаточно долговечными, если используются в устройствах, где не требуется ускорение потока автоэлектронов до энергий, существенно превышающих несколько сотен эВ. В случае, если производится дополнительное ускорение электронов, практически не избежать бомбардировки острийных катодов быстрыми ионами, что ведет к выходу из строя спиндтовских структур при эксплуатации их в техническом вакууме и к падению их долговечности.
Более стабильную работу в условиях технического вакуума демонстрируют так называемые лезвийные катоды.
т
д
ш
т
д
д
Известен полевой эмиттер (лезвийный катод) [Б.В.Бондаренко, В.Н.Ильин, Е.П.Шешин и др.. Эмиссионные характеристики автокатодов из пластин пирографита, // Электронная техника, сер.1, Электроника СВЧ, 1988, №1, с.34-38], содержащий пластину из проводящего материала толщиной l, длиной l и шириной l, которая ориентирована во внешнем электрическом поле, используемом для отбора тока полевой эмиссии, так, что электрическое поле имеет наибольшую величину у торцевой поверхности пластины толщиной l и длиной l, и длина пластины l выбрана достаточной для обеспечения необходимого тока эмиссии. В эмиттерах такого типа авторами использовались пластины толщиной 5-150 мкм. Усиления поля, связанного с малой толщиной пластины, недостаточно для получения необходимой полевой эмиссии. Поэтому для достижения дополнительного усиления поля на торцевой поверхности (кромке) пластины вынуждены создавать неоднородности малого по сравнению с толщиной пластины размера. Эти неоднородности формируют в результате специальной обработки торцевой поверхности, например, с помощью механической и эрозионной обработки, в результате обработки потоком ионов большой (100-200 кэВ) энергии [А.Л.Суворов, Е.П.Шешин, В.В.Протасенко и др., Микрошероховатые плоские автоэмиссионные катоды из графита, полученные радиационным способом, // ЖТФ, 1996, т.66, №7, с.156-160]. Необходимость создания на торцевой поверхности лезвийного катода усиливающих электрическое поле неоднородностей малого размера приводит к тому, что эти катоды при их использовании в высоковольтных электронных приборах, функционирующих в условиях технического вакуума, чувствительны к воздействию бомбардировки ионами остаточного газа. Распыление структуры выступов быстрыми ионами ограничивает долговечность лезвийных катодов. Описанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели (прототип).
В предлагаемой полезной модели решается задача по улучшению эксплуатационных характеристик полевого эмиттера (в том числе, по повышению его долговечности) и расширению области его применения при использовании достаточно простой технологии его изготовления.
т
д
ш
т
д
д
1
1
т
ш
ш
ир
ир
Задача решается тем, что полевой эмиттер, содержащий пластину из проводящего материала толщиной l, длиной l и шириной l, которая ориентирована во внешнем электрическом поле, используемом для отбора тока полевой эмиссии, так, что электрическое поле имеет наибольшую величину у торцевой поверхности пластины толщиной l и длиной l, и длина пластины l выбрана достаточной для обеспечения необходимого тока эмиссии, дополнительно содержит на боковой поверхности пластины слой материала толщиной 1<θ<100 монослоев с работой выхода eφ, отличной от работы выхода eφ материала пластины, при этом значение абсолютной величины разности работ выхода |eφ-eφ| задано таким, при котором электрическое поле на границе торцевой поверхности упомянутого слоя с торцевой поверхностью пластины, обусловленное контактной разностью потенциалов, имеет величину, достаточную для получения необходимой плотности тока полевой эмиссии, величина l выбрана такой, при которой в заданном режиме эксплуатации эмиттера обеспечивается отбор тока эмиссии из области контакта торцевой поверхности нанесенного слоя с торцевой поверхностью пластины, ширина пластины l удовлетворяет условию l=K·V·τ, где V и τ есть соответственно толщина слоя материала эмиттера, распыляемого под действием ионной бомбардировки в единицу времени, и требуемая долговечность эмиттера, а численный коэффициент K больше 1 и его величина выбрана из условия необходимой прочности эмиттера.
n
т
Если нужно увеличить площади участков торцевой поверхности эмиттера, являющихся источником полевой эмиссии, такая задача достигается тем, что на боковую поверхность пластины дополнительно нанесено n>1 слоев материалов со значениями работы выхода eφ, имеющих толщину 1<θ<100 монослоев каждый, причем находящиеся в контакте соседние слои имеют разную работу выхода и в области контакта торцевых поверхностей соседних слоев абсолютные значения разности работ выхода соседних слоев заданы такими, при которых электрические поля на границах торцевых поверхностей соседних слоев, обусловленные контактной разностью потенциалов соседних слоев, имеют величину, достаточную для получения необходимой плотности тока полевой эмиссии из каждого контакта, толщина пластины l выбрана такой, при которой в заданном режиме эксплуатации эмиттера с нанесенными на его боковую поверхность n слоев материалов обеспечивается отбор тока эмиссии из областей контактов торцевых поверхностей соседних слоев с разной работой выхода.
7
Предлагаемое решение за счет указанных выше отличительных признаков позволяет получать интенсивную полевую эмиссию с торцевой поверхности полевого эмиттера, не создавая на этой поверхности усиливающих электрическое поле выступов. В выходящих на торцевую поверхность эмиттера контактах материалов с разной работой выхода возникают поля ≥2·10 B/см, обусловленные контактной разностью потенциалов. Именно эти поля определяют полевую эмиссию эмиттера.
ш
ир
Бомбардировка ионами остаточного газа торцевой поверхности описанного полевого эмиттера ведет в результате распыления поверхности к уменьшению его ширины. Однако, при выборе ширины эмиттера, удовлетворяющей соотношению l=K·V·τ, можно обеспечить большую долговечность эмиттера, даже в высоковольтных электронных устройствах, работающих в техническом вакууме.
Сущность полезной модели и возможность ее реализации поясняют фиг.1-3. На фиг.1 представлено сечение экспериментального прибора, в котором проведено испытание полевых эмиттеров, изготовленных в соответствии с заявляемой полезной моделью. На фиг.2 схематически изображены исследованные образцы полевых эмиттеров. На фиг.3 приведены вольт-амперные характеристики исследованных полевых эмиттеров.
т
ш
Созданный для испытания полевых эмиттеров экспериментальный прибор включал эмиттер 1. Эмиттер закреплен на двух выводах (на рисунке показан один из них, 2) и мог прогреваться пропусканием тока накала. В качестве пластины из проводящего материала в контрольных измерениях использовалась лента из вольфрамовой фольги толщиной l=10 мкм с работой выхода eφ≈4,5 эВ. Эта лента шириной l=2 мм и длиной 25 мм была ориентирована своей длинной стороной перпендикулярно плоскости рисунка. Торцевая поверхность ленты располагалась на расстоянии ~1 мм от поверхности управляющего электрода-анода 3. Электрод 3 имел прямоугольное окно 4×10 мм закрытое мелкоструктурной сеткой 4 с прозрачностью ~75%, ориентированное своей длинной стороной (10 мм) перпендикулярно плоскости рисунка. За электродом 3 располагался коллектор 5, соединенный с землей через прибор, используемый для измерения тока электронов с эмиттера, попадающих на него через окно 4.
д
Для получения полевой эмиссии с эмиттера 1 на него подавалось отрицательное относительно земли напряжение U до 10 кВ. Во время измерений электрод 3 с сеткой 4 находился под отрицательным относительно земли потенциалом 0,1 кВ. Как следует из фиг.1, во внешнем электрическом поле, используемом для отбора тока полевой эмиссии, эмиттер 1 ориентирован так, что электрическое поле имеет наибольшую величину у торцевой его поверхности. Регистрировался ток электронов I с участка торцевой поверхности эмиттера 1 длиной l=10 мм, проникших на коллектор 5 сквозь сетку 4.
-7
Все измерения выполнены в условиях технического вакуума (1-4)·10 Торр.
7
Максимальные значения электрического поля у торцевой поверхности вольфрамовой ленты, создаваемого напряжением U от внешнего источника, не превышали (0,5-1)·10 B/см. Поэтому ток с вольфрамового эмиттера 1, предварительно очищенного прогревом до температуры ~1700-2000 C, при напряжении U=9 кВ был меньше 0,5 мкА.
60
Для нанесения на боковую поверхность вольфрамовой ленты материалов с работой выхода, отличной от работы выхода вольфрама, использовались источники 6 и 7. С помощью источника 6 напылялся индий (работа выхода eφ≈3,8 эВ), а с помощью источника 7 наносились молекулы фуллерена C (eφ≈5 эВ). Толщины слоев индия и фуллеренов были много меньше толщины вольфрамовой ленты и варьировались в пределах ~2-20 монослоев.
60
В простейшей из исследованных слоистых систем на вольфрам был сначала (на первом этапе) нанесен слой индия с работой выхода меньше, чем у вольфрама, а затем на него слой молекул фуллерена с работой выхода больше, чем у вольфрама. На фиг.2 со схематическим изображением исследованных слоистых систем эти слои обозначены буквой А. Далее (на втором этапе) поверх первого слоя C был нанесен 2-й слой индия и поверх него 2-й слой фуллеренов (обозначены буквой Б). Затем на 3-м этапе были нанесены один за другим 3-й слой индия и 3-й слой фуллеренов (обозначены буквой В). После завершения каждого из этапов построения слоистой структуры проводилось измерение вольт-амперных характеристик I(U) тока на коллектор 5. Вольт-амперные характеристики приведены на фиг.3. Характеристики, измеренные после завершения первого, второго и третьего этапов, отмечены на фиг.3 соответственно буквами А, Б и В. Вольт-амперная характеристика чистого вольфрамового эмиттера отмечена на фиг.3 буквой W.
60
Уже после завершения первого этапа формирования слоистой структуры ток с системы W-In-C значительно превосходил эмиссию с чистого вольфрама и, например, при напряжении 9 кВ имел величину более 2 мкА. Далее при фиксированных значениях напряжения U ток монотонно увеличивался после завершении 2-го и 3-го этапов формирования слоистой структуры.
60
Расчеты, выполненные с использованием программы Comsol, свидетельствуют, что электрические поля у торцевой поверхности катода (на фиг.1 не показана), связанные с подключением анодного напряжения, не могут обеспечить получение наблюдавшихся в эксперименте токов полевой эмиссии со слоев W, C и In, выходящих на торцевую его поверхность. Эти токи, согласно расчетам, обусловлены эмиссией электронов из областей контакта материалов с разной работой выхода на торцевой поверхности эмиттера.
7
7
т
т
Проведенные расчеты объясняют механизм переноса в сторону сетки-анода электронов, эмитированных в областях сильных полей ≥2·10 B/см, существующих у границ материалов с разной работой выхода, под действием сравнительно малых полей ≤(0,5-1)·10 В/см, обусловленных поданным напряжением. Величина полей от источника напряжения зависит не только от величины напряжения U, но и от толщины пластины l. Существенное увеличение этих полей за счет уменьшения толщины пластины l нежелательно, так как при этом уменьшаются жесткость конструкции катода и теплоотвод от него. Кроме того, сложнее становится и технология изготовления катода.
-7
4
ш
Созданные слоистые структуры стабильно работали в условиях технического вакуума (1-4)·10 Торр. в процессе всех испытаний. Оценки, сделанные в предположении о том, что изменения эмиссионных характеристик созданных слоистых катодных систем могут быть обусловлены происходящим в результате ионного распыления уменьшением ширины l, эмиттера 1, свидетельствуют, что долговечность таких систем в условиях технического вакуума может достигать значений ~10 часов.
Таким образом, в проведенных экспериментах и расчетах получено подтверждение практической реализации предлагаемого в заявке полевого эмиттера.
Выбор материалов для создания контактных разностей потенциалов на торцевой поверхности эмиттера 1, необходимых для получения полевой эмиссии, не ограничивается теми, которые приведены в примере реализации полезной модели. Эти материалы выбраны для проведения контрольных экспериментов прежде всего по той причине, что могут быть нанесены из простейших напылительных систем типа ячейки Кнудсена при достаточно низких температурах. Для нанесения других материалов, например, гексаборида лантана с работой выхода 2,5-3,8 эВ, а также тугоплавких металлов типа вольфрама или молибдена может быть применен целый ряд хорошо отработанных и несложных методов, таких например, как магнетронные напылительные установки, а также системы, использующие для испарения материалов пучки лазерного излучения и интенсивные электронные пучки. Важной особенностью предлагаемых эмиттеров является то обстоятельство, что для формирования слоистых наноструктур на их поверхности не нужна сложная и дорогостоящая аппаратура (технологическая и измерительная), используемая при построении других упорядоченных наноструктур таких, например, как системы Спиндта.
Полученные экспериментальные результаты и проведенные расчеты свидетельствуют, что для получения интенсивной полевой эмиссии достаточна разность работы выхода этих материалов ~0,5 эВ.
Предлагаемые полевые эмиттеры устойчивы к ионной бомбардировке. Многослойные эмиттеры такого типа при малом поперечном сечении могут быть использованы для получения больших токов эмиссии и найдут применение в разнообразных вакуумных приборах, в том числе, в устройствах СВЧ электроники, для решения ряда технологических задач. Они привлекательны для применения не только в низковольтных, но и в высоковольтных электронных устройствах. Технология создания предлагаемых полевых эмиттеров достаточно проста.