АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД

Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники в частности к автоэмиттерам электронов, которые могут быть использованы при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники.
Известен автоэмиссионный катод с использованием в качестве эмиттера наноуглеродного композита, содержащего частицы металла, окруженные наноуглеродным материалом: углеродными нанотрубками (графеном), фуллереном, углеродными нановолокнами (автоэмиссионный катод патент RU 2504858 С2 опубликован 20.01.2014).
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие наноуглеродного материала, входящего в состав композита, из которого изготовлен автоэмиссионный катод.
Недостатком такого автоэмиссионного катода является большая трудоемкость его изготовления из-за необходимости проведения дополнительных технологических операций: шлифовка, полировка, плазменное травление, невысокая плотность эмиссионного тока и необходимость приложения между катодом и анодом высокого напряжения (более 7 кВ).
Известен автоэмиссионный пленочный катод, содержащий в качестве эмиттера углеродную эмиссионную пленку с множеством излучающих кластеров в форме звезды, каждая из которых состоит из углеродных кластеров и дендритов с графеновыми листами, имеющими радиус кривизны менее 10 нм, длину 50-400 нм и высоту около 100 нм. При этом грани дендритов ориентированы от плоскости эмиссионной пленки (Патент US 6087765 от 11.07.2000).
Существенным общим признаком этого автоэмиссионного пленочного катода с заявляемой полезной моделью является наличие углеродной пленки.
Недостатком этого автоэмиссионного катода является неоднородность эмиссии электронов по поверхности катода из-за разброса размеров, высоты и хаотичности размещения кластеров и дендритов. Это приводит к неоднородности распределения напряженности поля между катодом и анодом, нестабильности эмиссионного тока и ускоренной деградации катода при высокой плотности тока.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионный пленочный катод и способ изготовления (Патент РФ 2194328 опубликован 10.12.2002), содержащий подложку с нанесенной на нее двуслойной углеродной пленкой. Первый слой углеродной пленки состоит из нерегулярных микро- и наноребер, расположенных перпендикулярно к поверхности подложки. Второй слой состоит из наноалмазной пленки толщиной 0,1-0,5 мкм.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие углеродной пленки, а также подложка (в заявляемой полезной модели - токопроводящее основание).
2
Недостатком автоэмиссионного катода является невысокая плотность эмиссионного тока (0,5 А/см), недостаточная прочность и адгезия углеродной пленки к подложке, неоднородное распределение эмиссионных центров по подложке и разная высота эмиттеров. Это приводит к нестабильности эмиссии электронов и разрушению катода на участках его поверхности с наибольшей высотой микро- и наноребер.
2
Техническим результатом, на который направлена заявляемая полезная модель, является создание работающего при низком приложенном напряжении автоэмиссионного катода с плотностью эмиссии более 0,5 А/см, который может быть использован при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники и ряде других приложений.
18
-
Технический результат достигается тем, что автоэмиссионный катод 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 толщиной 0,4-0,6 мкм с подслоем титана толщиной 10-20 нм, расположенный на токопроводящем основании, радиус закругления острия катода составляет 5-40 нм, высота - 0,1-1 мкм и полуугол раствора конуса острия - 10-30°, катод сформирован из проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 10 см3.
18
-3
Для достижения технического результата 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 толщиной 0,4-0,6 мкм с подслоем титана толщиной 10-20 нм, расположенный на токопроводящем основании, радиус закругления острия катода составляет 5-40 нм, высота - 0,1-1 мкм и полуугол раствора конуса острия - 10-30 градусов, катод сформирован из проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 10 см.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.
Фиг. 1 Схематично иллюстрирует устройство эмиссионного катода, где 1 - острие; 2 - наноуглеродная пленка; 3 - карбид кремния; 4 - пленка никеля с подслоем титана; 5 - токопроводящее основание.
Фиг. 2 Электронно-микроскопическое изображение автоэмиссионного катода, где 1 - острие; 3 - карбид кремния.
Фиг. 3 Экспериментальная вольт-амперная характеристика автоэмиссионного катода.
Работа устройства заключается в следующем. При нахождении автоэмиссионного катода (Фиг. 1) в электрическом поле он начинает эмитировать электроны сквозь потенциальный барьер путем туннелирования. Автоэмиссионный катод благодаря локализации поля на его острие (1) с радиусом закругления 5-40 нм, высотой 0,1-1 мкм и полууголом раствора конуса 10-30° (Фиг. 2), с нанесенной на углеродную грань карбида кремния (3) наноуглеродной пленкой (2), состоящей из 3-10 слоев графена, снижающей работу выхода электрона до 1 эВ и менее, позволяет получать эмиссию электронов достаточной плотности при напряжениях до 10 В (Фиг. 3). Пленка никеля (4) с подслоем титана выполняет функцию низкоомного контакта к токопроводящему основанию (5).
2
Как видно из результатов измерений, технический результат полезной модели - стабильный автоэмиссионный катод с плотностью тока до ~10 А/см при радиусе закругления 40 нм и напряжении в пределах 10 В. Это открывает новые возможности для вакуумной эмиссионной электроники, поскольку величина электрического поля и размеры эмиссионных центров становятся соизмеримыми с современными достижениями микро- и наноэлектроники в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем.
18
-3
18
-3
Для решения поставленной задачи предлагается изготавливать автоэмиссионный катод в форме острия на углеродной грани проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 10 см. Выбор карбида кремния в качестве исходного материала эмиттера обусловлен тем, что карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, стоек при высоких температурах, химически инертен. На его поверхности можно получить при термической деструкции графеновые пленки различной толщины. Выбор концентрации примеси более 10 см обусловлен минимальным объемным сопротивлением материала, которое необходимо для получения высоких плотностей автоэмиссионного тока. Выбор углеродной грани SiC  обусловлен тем, что на этой грани можно получить многослойную качественную графеновую пленку толщиной 3-10 слоев, содержащих минимальное количество структурных дефектов. Это позволяет выполнять технологические операции получения топологического рисунка, улучшить прочностные характеристики графеновой пленки при выполнении дальнейших технологических операций. На кремниевой грани SiC [0001] затруднительно получить графеновую пленку толщиной более одного-двух слоев. При этом графеновая пленка на этой грани содержит большое количество структурных дефектов, что отрицательно сказывается на эмиссионных характеристиках катода.
Выбор радиуса закругления острия катода 5-40 нм и полуугла раствора конуса 10-30 градусов обусловлен тем, что автокатод при этих параметрах имеет наибольший коэффициент усиления поля. Выбор высоты автоэмиссионного катода в пределах 0,1-1 мкм связан с необходимостью снижения его трудоемкости при его изготовлении фокусированным ионным пучком, минимальным тепловым сопротивлением и наибольшей устойчивостью к разрушению при высоких плотностях тока.
Никель толщиной 0,4-0,6 мкм наносится на кремниевую грань 6H-SiC [0001] для обеспечения низкоомного контакта с проводящим основанием катода. Подслой титана толщиной 10-20 нм обеспечивает хорошую адгезию никеля к SiC. Установлено, что толщина никеля 0,4-0,6 мкм с подслоем титана 10-20 нм обеспечивают наилучшее качество эмиссионного катода из-за низкого переходного сопротивления карбида кремния к проводящему основанию.
2
Технико-экономические преимущества предлагаемой полезной модели перед известными заключаются в следующем. Благодаря высокой теплопроводности, температурной стойкости и проводимости карбида кремния, высокой прочности, проводимости, наноразмерности и адгезии графеновой пленки к карбиду кремния, нанометровым размерам острия автоэмиссионного катода предлагаемая полезная модель имеет более стабильные параметры эмиссионного тока по сравнению с известными. Все это, в целом, позволяет повысить плотность тока эмиссии до 10 А/см, расширить возможности применения автоэмиссионного катода при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники.