СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОЛЕВОГО ЭМИТТЕРА
METHOD FOR MANUFACTURING OF MULTILAYER FIELD EMITTER

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к приборам, содержащим полевые электронные катоды, и может быть использовано при создании плоских автоэмиссионных дисплеев для мониторов и телевизоров, не уступающих электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркости, магнетронов с безнакальным автокатодом, которые позволяют создавать современные и экономичные радары, высокочастотных полевых эмиссионных диодов.
Известен способ изготовления острийных автоэмиттеров на основе вольфрама с нанесенным слоем цезия различной толщины [1-4]. В данных работах работа выхода вольфрама (4,5 эВ) уменьшалась до 1,8-2 эВ при нанесении цезия в вакууме. Уменьшение работы выхода данной системы подразумевает возрастание эмиссионной эффективности. Однако такие данные в работах не были приведены. Не приводятся также данные по стабильности эмиттеров W-Cs.
Известен способ изготовления автоэлектронных катодов с локализованной эмиссией [5] путем нанесения на острие из тугоплавкого металла, например вольфрама, покрытия с меньшей работой выхода из двухкомпонентной пленочной системы металл подгруппы скандия - кислород. Известен также автоэлектронный эмиттер с локализованной эмиссией [6], выполненный в виде острия из тугоплавкого металла с присадкой элемента, образующего на поверхности пленку с низкой работой выхода, при этом пленка содержит по крайней мере один из элементов, взятых из группы литий, натрий, калий, цезий. Недостатком таких способов является нестабильность изготовляемых катодов.
2
Известен способ изготовления автоэмиттера на основе платины, покрытой тонким слоем полупроводника TiO n-типа [7]. Благодаря особой конфигурации электродов на порядок снижалось пороговое значение напряженности электрического поля по сравнению с традиционными катодами из вольфрама. Однако эмиссионный ток был нестабилен, и при незначительном увеличении электрического поля наблюдался пробой, что не позволяло достигнуть типичных значений тока для автоэмиссии из металла.
Известен автоэлектронный эмиттер [8], выбранный в качестве прототипа и выполненный в виде вольфрамового острия, на которое нанесен слой кварца с атомарным углеродом, и эмиттер представляет собой систему вольфрам-кварц-кварц с введенным углеродом. Известный эмиттер обладает недостаточной стабильностью и чувствительностью.
Заявляемый способ лишен указанных недостатков и техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности и стабильности полевого острийного катода на основе вольфрама.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления многослойного полевого эмиттера, состоящем в получении вольфрамового острия путем химического травления вольфрамовой нити щелочным раствором, закреплении вольфрамового острия в нагревательном элементе, очистке вольфрамового острия в вакууме путем прогрева до получения поликристаллической решетки чистого вольфрама и последующем напылении, напыление осуществляют последовательным нанесением слоя TiO толщиной не более двух монослоев, а затем слой Cs, толщиной не более монослоя, при этом осуществляют контроль за током эмиссии до максимального его значения 2-3 мкА при расстоянии от анода до вольфрамового острия в пределах 23-27 мм и напряжении между ними в пределах 6±0,5кВ.
Кроме того, толщину напыляемого слоя цезия корректируют по снижению работы выхода до значений 3-2,5 эВ.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Монослой полупроводника напыляется при контроле проекционной картины на люминофорном экране острийного эмиттера. Она хорошо известна для вольфрама [9] и почти не меняется при нанесении тонкого слоя TiO. Известно, что электронное сродство TiO составляет 4,5 эВ [5], то есть практически совпадает с работой выхода вольфрама. Поскольку барьер Шотки на контакте этих материалов практически отсутствует, электроны из зоны проводимости вольфрама диффундируют в зону проводимости TiO. При приложении внешнего поля, проникающего в тонкий слой полупроводника, электроны почти без потерь оказываются на границе с вакуумом. В этом случае работа выхода φ системы W-TiO составляет 4,3 эВ, что обеспечивает большую эффективность (чувствительность и стабильность) эмиттера W-TiO по сравнению с чистым вольфрамом. С целью дополнительного снижения работы выхода на границе с вакуумом на поверхность W-TiO. наносится тонкий слой цезия, который снижает работу выхода всей системы W-TiO-Cs до значений 3-2,5 эВ в зависимости от количества осажденного цезия. На Фиг.1а представлена энергетическая диаграмма созданного многослойного эмиттера W-TiO-Cs, которая наглядно иллюстрирует характер прохождения электронов в вакуум. На Фиг.1б показано энергетическое распределение электронов системы W-TiO-Cs, у которого максимум соответствует энергии Ферми вольфрама.
Пояснения расчетов приведенных величин приведены в приложении к данному описанию.
2
2
2
2
2
-9
На Фиг.2 изображены вольт-амперные характеристики (ВАХ) автоэмиттеров (1 - W; 2 - W-TiO; 3 - W-TiO-Cs (2,5 эВ); 4 - W-TiO-Cs (3,1 эВ)) в масштабе Фаулера-Нордгейма, измеренные в камере с непрерывной откачкой (давление 1×10 мм рт.ст.) при одинаковых геометрических параметрах. Из Фиг.2 видно, что наибольшую эффективность имеют W-TiO-Cs катоды, чувствительность которых на 3 порядка выше, чем у вольфрамового эмиттера (таблица 1). В зависимости от толщины нанесенного цезия работа выхода системы W-TiO-Cs может быть снижена до 2,5 эВ с получением более эффективной эмиссии (кривая 4 Фиг.2) или до 3,1 эВ с меньшей эффективностью (кривая 3 Фиг.2). Контроль количества напыляемого цезия на острие проводился по времени его экспозиции. Использовалось два режима напыления: около 30 мин и 5 мин. Направленное выделение цезия происходило из стандартного источника - лодочки ИЦО - 34-9, наполненной бихроматом цезия. При нагреве ее проходящим током (ток накала 1,7 А) вещество разлагалось с выделением чистого цезия.
Таблица 1.
Значение плотности тока <img file="00000001.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" /> для полевых эмиттеров W-TiO<sub>2</sub>-Cs и W при различных напряженностях электрического поля <img file="00000002.tif" he="7" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />.
<img file="00000003.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" /> мкм
<img file="00000004.tif" he="14" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="13" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
256
777.7
0.39
2
274
2138.7
2.7
Приблизительная оценка количества напыляемого цезия позволяет заключить, что малое время напыления (~5 мин) соответствует небольшой доле монослоя цезия на поверхности острия, а длительное напыление (~30 мин) - близко к монослойному покрытию. Можно предположить, что во втором случае на поверхности находилось некоторое количество слабосвязанного цезия, который со временем мигрировал, что приводило к снижению стабильности эмиттера.
2
2
2
Как показали результаты исследований, более стабильная эмиссия наблюдается для эмиттеров W-TiO-Cs с работой выхода ~3 эВ. Для таких эмиттеров на Фиг.3 изображены ВАХ при хранении их в камере с непрерывной откачкой в течение 15 дней (W - 1; W-Cs: 2-2 минуты; 3-35 минут; 4-9 суток. W-TiO-Cs - 5: ◇ - 2 минуты; ○ - через сутки; * - 15 суток.). Для сравнения на Фиг.3 приведены ВАХ W-Cs эмиттеров при хранении в аналогичных условиях в течение 9 дней. Из Фиг.3 видно, что по эффективности эмиссии и по сохранению ее автокатоды W-TiO-Cs имеют существенное преимущество по сравнению с W-Cs.
2
Заявляемый способ изготовления многослойного полевого острийного катода W-TiO-Cs был опробован на базе исследовательских лабораторий Санкт-Петербургского государственного университета.
Пример 1. Оптимальная технология эмиттера
-9
В камере с непрерывной откачкой при давлении остаточного газа порядка 10 мм рт.ст. проводили очистку поверхности острийного эмиттера из вольфрама путем пропускания тока через дужку, на которой он крепится. Режим прогрева был следующим:
I<sub>накала</sub>, A
t, мин
3,97
1
3,98
1
3,99
1
4
1
2
H
2
2
H
На люминесцентном экране, который служил анодом, путем приложения напряжения 6-8 кВ между острием и экраном получали проекционную картину. По известной картине чистой поверхности W острия добивались аналогичной картины в данном эксперименте. Измеряли зависимость тока эмиссии от приложенного напряжения (для оценки работы выхода - φ по ВАХ, порога эмиссии), для вольфрама ток эмиссии при 6,5 кВ составляет 0,06 мкА; работа выхода - 4,5 эВ. Далее проводили напыление TiO из лодочки при нагреве проходящим током (I=1,3 A, время напыления - 5 мин), для этого при выключенном напряжении между катодом и анодом поворачивали острие в сторону источника TiO. Проводили контроль проекционной картины для оценки толщины покрытия TiO (должна иметь место видимость проекционной картины вольфрама). После этого поворачивали острие в рабочее положение и измеряли ВАХ, сравнивая с ВАХ чистого вольфрама. Должно наблюдаться возрастание тока эмиссии до 0,31 мкА при напряжении 6,5 кВ. Выставляли значение напряжения между катодом и анодом порядка 6,5-6,6 кВ для контроля тока эмиссии и проведения экспозиции цезия (I=1,7 A) при контроле тока эмиссии. При достижении тока эмиссии порядка 2-3 мкА прекращали поток цезия. Это соответствует времени экспозиции около 3 мин. Ток эмиссии возрастал на 2 порядка по сравнению с чистым вольфрамом. После этого выключали напряжение между катодом и анодом и проводили контроль сохранения чувствительности катода:
измеряли ВАХ через определенные промежутки времени при непрерывной откачке камеры (Фиг.3).
2
По контролю сохранения чувствительности катода (Фиг.3) видно, что чувствительность катода W-TiO-Cs на два порядка выше по сравнению с чувствительностью вольфрамового катода, а его стабильность сохраняется, при непрерывной откачке, до 15 суток и более.
Пример 2. Избыточное нанесение цезия
-9
В камере с непрерывной откачкой при давлении остаточного газа порядка 10 мм рт.ст проводили очистку поверхности острийного эмиттера из вольфрама путем пропускания тока через дужку, на которой он крепится. Режим прогрева был следующим:
I<sub>накала</sub>, A
t, мин
3,97
1
3,98
1
3,99
1
4
1
2
H
2
2
H
2
На люминесцентном экране, который служил анодом, путем приложения напряжения 6-8 кВ между острием и экраном получали проекционную картину. По известной картине чистой поверхности W острия добивались аналогичной картины в данном эксперименте. Измеряли зависимость тока эмиссии от приложенного напряжения (для оценки работы выхода - φ по ВАХ, порога эмиссии), для вольфрама ток эмиссии при 6,5 кВ составляет 0,06 мкА; работа выхода - 4,5 эВ. Далее проводили напыление TiO из лодочки при нагреве проходящим током (I=1,3 A, время напыления - 5 мин), для этого при выключенном напряжении между катодом и анодом поворачивали острие в сторону источника TiO. Проводили контроль проекционной картины для оценки толщины покрытия TiO (должна иметь место видимость проекционной картины вольфрама). После этого поворачивали острие в рабочее положение и измеряли ВАХ, сравнивая с ВАХ чистого вольфрама. Должно наблюдаться возрастание тока эмиссии до 0,31 мкА при напряжении 6,5 кВ. Выставляли значение напряжения между катодом и анодом порядка 6,5-6,6 кВ для контроля тока эмиссии и проведения экспозиции цезия (I=1,7 A) при контроле тока эмиссии. При достижении тока эмиссии порядка 11-12 мкА прекращали поток цезия. Это соответствует времени экспозиции около 30 мин. Ток эмиссии возрастает почти на 3 порядка по сравнению с чистым вольфрамом (см. табл.1). Ток эмиссии чистого вольфрама при 6 кВ составляет 0,022 мкА, а ток эмиссии системы W-TiO-Cs при 6 кВ составляет 12 мкА. После этого выключали напряжение между катодом и анодом и проводили контроль сохранения чувствительности катода, измеряя ВАХ через определенные промежутки времени при непрерывной откачке камеры:
Таблица 2
Ток эмиссии при напряжении между катодом и анодом 6 кВ во время хранения катода.
Время хранения, сутки
I, мкА
После изготовления
12
1
1,4
2
0,81
7
0,52
8
0,56
10
0,47
2
Таким образом, из примера 2 (при избыточном цезии) видно, что чувствительность катода W-TiO-Cs на три порядка выше по сравнению с чувствительностью вольфрамового катода, но его чувствительность падает при хранении почти в 20 раз с небольшой стабилизацией через неделю хранения.
2
Заявляемый способ изготовления многослойного полевого острийного катода W-TiO-Cs имеет более высокую и стабильную эмиссию с уменьшением порогового значения напряженности электрического поля вдвое по сравнению с традиционным острийным катодом W.
Заявленный многослойный полевой эмиссионный катод может улучшить параметры таких приборов как, например, плоские автоэмиссионные дисплеи для мониторов и телевизоров, не уступающих электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркостью, магнетроны с безнакальным автокатодом, которые позволяют создавать современные и экономичные радары, высокочастотные полевые эмиссионные диоды и др.
Источники информации
1. Клименко Е.В., Наумовец А.Г. // ФТТ, 13, 33, 1971.
2. Гаврилюк В.М., Наумовец А.Г., Федорус А.Г. ЖЭТФ, 51, 1332, 1966.
3. Макуха В.И. // ФТТ, 9, 150, 1967.
4. Овчинников А.П., Царев Б.М. // ФТТ, 8, 1493, 1966.
5. SU 439028.
6. SU 1069029.
7. Vu Thien Binh and Ch. Adessi, Phys. Rev. Lett. 85, 864 (2000).
8. SU 118913 (прототип) - 20.
9. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.