Полевой эмиттер из приведенных в контакт материалов с разной работой выхода

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, так как они, в отличие от термокатодов, не требуют накала и практически безынерционны.
-6
-8
Для получения интенсивной полевой эмиссии при умеренных рабочих напряжениях на поверхности подложки из проводящего материала обычно создают распределенные структуры усиливающих электрическое поле острий. В высоковольтных электронных приборах, работающих в условиях технического вакуума (10 - 10 Торр), многоострийный эмиттер подвергается бомбардировке быстрыми ионами остаточных газов. Наиболее интенсивна бомбардировка усиливающих электрическое поле острий. Под действием ионной бомбардировки происходит распыление поверхности острий, и это является одной из основных причин выхода таких полевых эмиттеров из строя. Кроме того, создание упорядоченных острийных структур требует использования сложных технологий.
60
60
6
7
2
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. Недостатком фуллереновых покрытий (как и любых других углеродных или содержащих углерод покрытий) является то, что они обладают большой работой выхода (около 5 эВ). Поэтому 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 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 дополнительно 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. Приемлемые для практических приложений токи удается получать с помощью многоострийных структур. Однако средние по поверхности плотности токов с таких структур, как правило, не превышают приблизительно 1 А/см. Недостатком эмиттеров с фуллереновыми покрытиями является и то, что при отборе больших токов в условиях, когда происходит разогрев эмиттеров отбираемыми токами, возможно испарение фуллереновых покрытий при умеренных температурах порядка нескольких сотен градусов Цельсия. Указанные выше недостатки ограничивают возможности применения острийных полевых эмиттеров с фуллереновыми покрытиями.
-7
-6
6
7
2
Вредное влияние ионной бомбардировки может быть сведено к допустимому минимуму, если малы энергии бомбардирующих катод ионов. 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 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 1 мкм) диаметром 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 только в низковольтных 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.
Делались попытки создания безострийных полевых эмиттеров. Известен полевой эмиттер и способ его изготовления (варианты) [Патент RU 2150154 C2]. 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 по порядку величины 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 коротковолновых СВЧ приборах 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.
т
д
ш
т
д
д
Более стабильную работу в условиях технического вакуума, во всяком случае, при отборе малых токов, демонстрируют так называемые лезвийные катоды. 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 lи 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.
т
д
ш
т
д
1
2
1
2
д
ш
ш
э
э
Авторами [Полезная модель RU 118119 U1] разработаны и созданы лезвийные катоды, способные стабильно работать при умеренных напряжениях и не требующие формирования усиливающих электрическое поле выступов на эмитирующей торцевой поверхности. 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, имеет на боковой поверхности пластины структуру из n пар слоев с разными значениями работы выхода eϕ > eϕ, при этом абсолютная величина разности работ выхода |eϕ-eϕ| задана такой, при которой электрическое поле у границы слоев с разной работой выхода, обусловленное контактной разностью потенциалов, имеет величину, достаточную для получения необходимой плотности тока полевой эмиссии, причем длина пластины l, и количество n пар слоев выбраны достаточными по величине для обеспечения необходимого тока эмиссии, а ширина пластины l удовлетворяет условию l=К·Δ·τ, где Δ и τ есть соответственно толщина слоя материала эмиттера, распыляемого под действием ионной бомбардировки в единицу времени, и требуемая долговечность эмиттера, а численный коэффициент К больше 1 и его величина выбрана из условия необходимой прочности эмиттера.
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 В/см, обусловленные контактной разностью потенциалов. Именно эти поля определяют полевую эмиссию эмиттера.
ш
э
При использовании описанных полевых эмиттеров в высоковольтных электронных приборах, работающих в условиях технического вакуума, бомбардировка ионами остаточного газа торцевой поверхности эмиттера ведет к распылению поверхности эмиттера и к уменьшению его ширины. Однако, при выборе ширины эмиттера, удовлетворяющей соотношению l=К·Δ·τ, можно обеспечить большую долговечность эмиттера, даже в высоковольтных электронных устройствах, работающих в техническом вакууме.
Описанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели (прототип).
В предлагаемой полезной модели решаются следующие основные задачи:
- упрощение технологии изготовления полевых эмиттеров;
- улучшение эксплуатационных характеристик полевого эмиттера, в том числе, повышение отбираемых с его поверхности токов и увеличение плотностей тока полевой эмиссии;
- расширение областей применения эмиттеров.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
Pt
Hf
Hf
Σ
на Фиг. 1 - зависимости эмиссионного тока I от d (a) и от d (б). Зависимости I (d), рассчитанные при фиксированных значениях d (в);
-
на Фиг.2 схематическое изображение измерительных систем, использованных при исследовании многослойных катодов, предназначенных для формирования ленточных электронных потоков (а) и потоков кольцевого сечения (б). 1 – катод, 2 – держатель катода, 3 –управляющий электрод (анод), 4 – коллектор в форме цилиндра Фарадея;
на Фиг.3 - типичные вольт-амперные характеристики оптимизированных систем формирования ленточного (а) и кольцевого (б) в сечении электронных потоков. Катод, используемый для формирования ленточного пучка, имеет длину lд = 5 мм. Катод для формирования пучка кольцевого сечения имеет диаметр 14 мм.
Yb
Pt
Hf
В расчетах и в экспериментах были получены сведения, поясняющие сущность и возможность реализации полезной модели. Были изучены эмиссионные характеристики многослойных систем, сформированных на подложках из алюминия и из тантала. Создавались структуры из разных пар, отличающихся по работе выхода материалов, в том числе, иттербия (eϕ ≈ 3,1 эВ) и платины (eϕ ≈ 5,3 эВ), а также гафния (eϕ ≈ 3,5 эВ) и платины. Проиллюстрируем работу исследованных систем на основе данных, полученных для катодной системы из приведенных в контакт слоев гафния и платины, созданной на поверхности тонкой (10 мкм) танталовой подложки.
Многослойные системы создавались с использование чрезвычайно простого и оперативного метода магнетронного напыления.
Hf
Pt
Σ
В расчетах, выполненных с использованием пакета программ Comsol Multyphysics, было определено влияние на эмиссионные характеристики полевого эмиттера толщины приведенных в контакт слоев гафния (d) и платины (d), полной толщины всей слоистой структуры d и количества n пар слоев гафния и платины. На фиг.1 показаны полученные в расчетах данные о влиянии указанных параметров на величину тока I полевой эмиссии слоистой системы.
Hf
Hf
Pt
Σ
Hf
Σ
Σ
Σ
Hf
Pt
Из данных фиг.1а следует, что при фиксированной толщине слоев гафния, например, d = 4 нм или d = 8 нм ток эмиссии быстро нарастает с уменьшением толщины слоев платины d. При неограниченной суммарной толщине d слоистой структуры и неограниченном количестве n пар Hf и Pt из расчетов (см. фиг.1б) следует, что ток эмиссии увеличивается с ростом толщины слоев гафния d до значений более 40-50 нм. Однако при выборе толщины слоев гафния необходимо учесть известную из литературы особенность многослойных систем, состоящую в том, что их прочность падает при d> 300-400 нм, и они разрушаются даже при слабом, например, тепловом воздействии. С учетом этого обстоятельства были проведены расчеты при фиксированных значениях d меньше 300 нм. Из результатов таких расчетов следует (фиг.1в), что оптимальная толщина слоев гафния в наиболее интересном диапазоне значений 200 ≤ d ≤ 280 нм лежит в интервале 7 ≤ d ≤ 12 нм. Оптимальной толщиной слоев платины можно, видимо, признать значения d = 1-2 нм, так как при меньших толщинах не удается сформировать однородную пленку на поверхности подложки.
Экспериментальные исследования слоистых катодов были выполнены с использованием триодных измерительных систем, сечение которых схематически изображено на фиг.2. С помощью системы, показанной на фиг.2а, были изучены характеристики катодов, предназначенных для формирования ленточных электронных потоков. На фиг.2б изображена измерительная система, пригодная для формирования электронных потоков кольцевого сечения. Обозначены катод 1 и его держатель 2, контрольный электрод (анод) 3 и коллектор 4, выполненный в форме цилиндра Фарадея. На фигурах указаны все основные размеры систем формирования электронных потоков. Для получения полевой эмиссии на катод подавалось отрицательное напряжение U относительно управляющего электрода (анода)
Hf
Pt
Были исследованы эмиссионные характеристики слоистых систем, включающих по 20 пар слоев гафния и платины толщиной соответственно d = 10 нм и d = 2 нм.
2
2
Типичные вольт-амперные характеристики таких оптимизированных систем формирования ленточного и кольцевого в сечении электронных потоков показаны соответственно на фиг.3а и фиг.3б. Созданные многослойные эмиттеры обеспечивали чрезвычайно большие средние по поверхности плотности тока полевой эмиссии ориентировочно до 200-400 А/см. С кольцевого катода с эмитирующей поверхности площадью около 0,3 см были получены токи приблизительно до 30-40 мА.
-7
4
ш
Созданные слоистые структуры стабильно работали в условиях технического вакуума (1-4)·10 Торр в процессе всех испытаний длительностью более 30 часов. 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.
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 или распределенные многоострийные структуры.
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.