АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД
FIELD-EMISSION CATHODE

Настоящее изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды используют в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п.
В настоящее время широко известны автоэмиссионные катоды на основе различных наноструктурированных углеродных (наноуглеродных) материалов и различные материалы для их изготовления.
Известен (патент РФ 2288890, кл. H01J 1/30 С01В 31/02 В82В 3/00, опубликован 20.03.2005) нановолоконный углеродный материал для холодных катодов. Материал изготовленный по предложенному способу пригоден для изготовления автоэмиссионных катодов, однако изготовленные обычными способами из этого материала катоды имеют недостаточную стабильность.
Известен холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения (Патент РФ 2194328, кл. H01J 1/30, 9/02 опубликован 10.12.2002). Такой катод получен методом газофазного синтеза, включающим зажигание тлеющего разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждения на расположенную на аноде подложку для углеродной пленки. При этом углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой катод позволяет добиться хорошей стабильности автоэлектронной (холодной) эмиссии электронов, но метод его нанесения дорог и сложен, кроме того предусматривает разогрев подложки до высоких температур, что не всегда приемлемо.
Известен графеновый полевой эмиттер (катод) и способ его формирования (патент РФ 2400858, кл. H01J 1/30, 1/62, 9/00 опубликован 27.09.2010). Такой катод формируется литографическими методами из специально подготовленных графеновых слоев. Такой способ требует литографического оборудования высокого разрешения а значит дорог, кроме того графен не всегда позволяет достичь оптимальных параметров эмиттера.
2
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является холодный эмиттер электронов, изготовленный из нанопористого углерода (патент РФ 2249876, кл. H01J 1/30 опубликован 10.04.2005). Такой эмиттер (катод) включает электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее поверхности, причем этот углеродный слой состоит из нанопористого углерода и имеет поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом суммарный объем пор составляет от 50 до 90 объемных %. Существенным недостатком такого катода является недостаточно высокая плотность автоэмиссионного тока, которая составляет 100-200 мкА/см. Для практических применений иногда требуется существенно большая плотность тока.
2
Задачей данного изобретения является создание автоэмиссионного катода (холодного эмиттера электронов) позволяющего получить стабильный эмиссионный ток плотностью существенно большей чем у прототипа (до 1-2 мА/см).
Для решения поставленной задачи предлагаем изготавливать автоэмиссионный катод из объемного композита, в состав которого входит компонент из ряда наноуглеродных материалов, например, углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы, либо их смесь и один из металлов из ряда Cu, Al, Mg, Ag, Au, Zn, Cd и/или сплавов на их основе. Рабочую поверхность катода подвергают механической обработке для удаления верхнего слоя глубиной 20-100 мкм и шлифованию до достижения средней шероховатости не более 20 мкм. Затем эту поверхность подвергают химическому травлению и плазменной обработке. Электроны будут эмитироваться из частиц наноуглеродного материала, оказавшихся на поверхности катода. Металл обеспечит низкое удельное сопротивление, механическую прочность и высокую теплопроводность. Ряд металлов ограничен требованием отсутствия влияния металла на целостность наноуглеродных частиц в диапазоне температур и давлений создания композита. Схематично заявляемый катод показан на Фиг.1. Автоэлектронная эмиссия может быть получена с любой из поверхностей композита. Для увеличения ее стабильности и однородности выбранную рабочую поверхность автоэмиссионного катода дополнительно обрабатывают.Механическая обработка рабочей поверхности катода (шлифование), последущее химическое травление (химическое структурирование), и плазменная обработка (активация) наноуглеродной компоненты на рабочей поверхности катода позволяют существенно повысить эмиссию электронов. В случае использования в качестве наноуглеродного материала углеродных нанотрубок или нановолокон возможно дополнительное изменение параметров автоэлектронной эмиссии путем изготовления композитного материала, например по способу, описанному в заявке на патент США US 2006/0269435 А1 кл. B22/F опубликован 30.11.2006. Согласно этому способу изготовления композита может быть обеспечено преимущественное направление наноуглеродной компоненты, причем в этом случае рабочую поверхность катода необходимо ориентировать перпендикулярно этому направлению. Это может быть использовано для автоэмиссионных катодов, для которых необходимо получение минимального порогового напряжения автоэмиссии, но не требуются максимально возможные автоэмиссионные токи, так как стойкость катода в этом случае может оказаться ниже, чем в случае отсутствия ориентации наноуглеродной компоненты.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми фигурами.
Фиг.1 схематично иллюстрирует устройство катода. Цифрой 1 на ней обозначен металл-наноуглеродный композит, цифрой 2 - рабочая поверхность катода.
На Фиг.2 приведено электронно-микроскопическое изображение медных наночастиц, окруженных слоем наноуглеродного материала толщиной около 2 нм.
60
60
На Фиг.3 показано изображение поверхности автоэмиссионного катода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC с весовым содержанием 10% С, изготовленного по технологии, включающей химическое травление и плазменную обработку.
На Фиг.4 приведена вольт-амперная характеристика автоэмиссионного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм.
Пример реализации предлагаемого автоэмиссионного катода.
60
60
3
60
60
2
Для получения заявляемого типа автоэмиссионного катода был изготовлен металл-наноуглеродный композит. Металлической составляющей композита была выбрана медь исходя из ее свойств и доступности. В качестве второго (наноуглеродного) компонента был выбран фуллерен С. Смесь меди и фуллерена С был подвергнута совместному измельчению исходных материалов взятых в виде гранул размером около 1 мкм в планетарной мельнице. Время обработки составило около 30 мин чистота исходных материалов не ниже 99,5%. Измельчение велось до уменьшения размера частиц меди порядка 10-30 нм. В начальной смеси содержалось 10% по весу наноуглеродного материала. Обработку производили в атмосфере аргона чистоты 99,999% (содержание кислорода менее 0.1 ppm). Полученный после обработки в планетарной мельнице материал был изучен на просвечивающем электронном микроскопе. Изображения (Фиг.2) показали, что вокруг медных наночастиц располагается слой наноуглеродного материала толщиной 2 нм. Далее полученный материал был подвергнут горячему прессованию при давлении 6,5 ГПа и температуре в 850°С, 1 минута. В результате был получен композит: металл-наноуглеродный материал, поверхность которого после дополнительной обработки становится высокоэффективным эмиттером автоэлектронов. Для исследований автоэлектронной эмиссии были изготовлены цилиндры диаметром 3 мм высотой 2 мм. Один из торцов (рабочая поверхность катода) был механически отшлифован до шероховатости примерно 50-20 мкм. Затем было проведено химическое травление. Был использован водный раствор хлорного железа FeCl, так как он полностью инертен по отношению к углеродной составляющей. Результатом химической обработки стало получение поверхности, состоящей из наноструктурированной углеродной составляющей. Дополнительная активация автоэмиссионных свойств катода производилась обработкой катода в водородной плазме при давлении 35 Па с плотностью мощности 0,5 КВт/см при температуре подложки 150°С. Полученные образцы автоэмиссионного катода исследовали на электронном микроскопе. На Фиг.3 показано изображение поверхности автокатода, полученного из металло-наноуглеродного композита CuC с весовым содержанием 10% С, изготовленного по описанной технологии включающей химическое травление и плазменную обработку, а на Фиг.4 вольтамперная характеристика данного катода при включении его по схеме вакуумного диода с расстоянием катод - анод 300 мкм. При этих измерениях автоэмиссионный катод показал хорошие токовые характеристики и высокую стабильность (плотность тока примерно в 5-10 раз выше, чем у прототипа).
60
При использовании исходного композита с другим процентным содержанием наноуглеродной компоненты результаты ухудшались. Например, при уменьшении содержания С до 5% по весу максимальный автоэмиссионный ток уменьшался примерно на 20%, а при увеличении до 20% существенно снижалась механическая прочность и становилась невозможной механическая обработка.
60
При использовании вместо меди металлов из перечисленного ряда, как и при использовании вместо фуллерена С других наноуглеродных компонентов, не происходит существенного изменения параметров автоэлектронной эмиссии при условии сохранения оптимального весового соотношения металл/наноуглеродный компонент.
2
Таким образом, предложенный способ позволяет создавать новый тип автоэмиссионных катодов из металл-наноуглеродных композитов. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см.