СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДЕГРАДАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СИЛЬНОТОЧНЫХ МНОГООСТРИЙНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ
METHOD TO INCREASE DEGRADATION RESISTANCE OF HIGH-CURRENT MULTI-SPIKE FIELD-EMISSION CATHODES

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.
Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в которых матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [Авт.св. СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.].
При изготовлении матрицы все нити ткани ориентируют под острым углом к направлению эмиссии электронов, а рабочую поверхность, которая является эмиттером электронов и состоит из множества нитей, образующих волокна, полируют.
Однако при эксплуатации таких автокатодов в техническом вакууме происходит разрушение связующего вещества под действием ионной бомбардировки. Это приводит к расслоению материала и существенно ограничивает плотности автоэмиссионных токов и срок службы катода.
6
-2
Известны также регулярные многоострийные матрицы автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, изготовленные термохимическим способом [Патент RU 1738013, МКИ HJ 1/30, 1993]. Плотность упаковки таких эмиттерных структур достигает 10 см. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заострялись в кислородной плазме. После заострения их радиус составлял 0,3-0,5 мкм.
Описанные стеклоуглеродные матрицы многоострийных катодов не обеспечивают достаточно высокой плотности упаковки эмитирующих центров. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения ионной бомбардировкой и, как следствие, к деградации многоострийных катодов.
8
-2
Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [Bonard J. - М., Salvetat J.-Р., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p.918.]. Однослойные нанотрубки составляли некую паутинообразную структуру с другими углеродными частицами и отделялись от них ультразвуковой обработкой в растворе. Образовавшаяся очищенная суспензия наносилась на подложку, на которой после сушки формировалась однородная пленка из случайно ориентированных одностенных нанотрубок, заполняющих поверхность подложки с плотностью 10 см. Коэффициент увеличения электрического поля на вершине трубки изменяется в диапазоне от 2500 до 10000 при среднем значении 3600, что примерно втрое выше соответствующего значения для многослойных нанотрубок.
Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это, по-видимому, связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов.
Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные катоды в виде композиционного пленочного материала, представляющего собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов [Патент RU 2309480, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2007]. Получение наноалмазографитовых структур осуществляется осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например, этанола при температуре подложки в интервале от 200 до 350°С. Толщина пленки составляет 0,2-0,3 мкм. Такие многоострийные катоды позволяют получать стабильную автоэлектронную эмиссию в течение длительного времени работы прибора в условиях технического вакуума.
Недостатком автоэмиссионных катодов, полученных на основе наноалмазографитовых структур, является то, что при увеличении плотностей автоэмиссионных токов, которое достигается при повышенных напряженностях внешнего электрического поля, происходит разрушение эмиттирующей структуры.
Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионного катода на основе композиционного наноалмазографитового пленочного материала, которая обеспечивала бы повышение плотностей токов автоэмиссии и деградационной стойкости (стабильности автоэлектронной эмиссии при более продолжительном ресурсе работы) при работе с повышенными электрическими напряжениями.
19
-3
Поставленная цель достигается тем, что композиционные наноалмазографитовые пленочные структуры для автоэмиссионных катодов, представляющих собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов, получают осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например, этанола с толщиной менее 100 нм. В таких наноструктурированных материалах повышение деградационной стойкости при заданной амплитуде и длительности электрического импульса достигается уменьшением длины свободного пробега электронов в материале автокатода. Последнее обеспечивается за счет увеличения в них границ раздела фаз и рассеяния на дефектах. Кроме того, композиционные наноалмазографитовые пленочные структуры толщиной менее 100 нм обладают повышенными механической и электрической прочностью. Упрочнение нанокомпозиционных покрытий связано с возникающими размерно-зависимыми эффектами, которые состоят в следующем. В частности, с уменьшением размеров зерен менее 50-10 нм в наноструктурированных и нанокомпозиционных покрытиях увеличивается объемная доля границ раздела фаз и их прочность, отсутствуют дислокации внутри кристаллитов и изменяется соотношение объемных долей кристаллической и аморфной фаз. Плотность межфазных границ и связанных с ними дислокаций может достигать значительной величины, например, для нанокристаллита размером 7 нм она может достигать ~10 см. С увеличением размера кластера избыточная энергия дислокационных границ убывает и для массивного материала стремится к нулю. Прочность границ раздела нанофаз способствует увеличению стойкости наноструктурированных покрытий к деформациям. Отсутствие дислокаций внутри кристаллитов увеличивает упругость покрытий. Отмеченные свойства позволяют получать на основе таких покрытий нанокомпозитные материалы с улучшенными физико-химическими свойствами, такими как высокая твердость (Н>40 ГПа), прочность и коррозионная стойкость. Это приводит к увеличению деградационной стойкости многоострийных автоэмиссионных катодов при работе с повышенными напряжениями.
Автоэлектронная эмиссия по своей природе является чисто квантовым явлением и не связана с выделением или потреблением тепла. В связи с этим можно было бы считать, что причиной разрушения наноалмазографитовых автокатодов при повышенных напряжениях автоэмиссии является электрический пробой. При электрическом пробое ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки материала автокатода и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое приводит к появлению трещин или полному разрушению катода (фиг.1).
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние разогрева катода за счет выделения тепла в результате электропроводности, а также отсутствует ионизация газовых включений. Однако реально исключить влияние этих факторов при автоэлектронной эмиссии практически невозможно. Поэтому наблюдаемые на практике пробивные напряжения связаны с частотой и амплитудой приложенного напряжения автоэмиссии, нагревостойкостью материала, температурой окружающей среды и др. В частности, известно, что для увеличения срока службы автокатодов необходимо уменьшать рабочие напряжения и время выдержки автокатода в электрическом поле. При этом величина и длительность электрического импульса, вызывающего автоэлектронную эмиссию, должны быть такими, чтобы электроны на длине своего свободного пробега в материале эмиттера в течение времени действия импульса не успели набрать кинетическую энергию, превышающую энергию связи атомов кристаллической решетки материала катода.
Исследования полученных пленочных структур наноалмазографитовых автокатодов с толщиной менее 100 нм методами рентгеноструктурного анализа и комбинационного рассеивания света показали, что характерным для них является наличие мелкокристаллического алмаза и графита как кристаллического, так и аморфизованного. Композиционный характер таких пленок подтверждается также исследованными температурными зависимостями электропроводности. Они показали, что пленки обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, который характерен для диспергированных систем. В данном случае диспергированная пленка представляет собой трехфазную систему, состоящую из проводящих графитоподобных нанокластеров - гранул, внедренных в матрицу из непроводящего или плохо проводящего углерода различных аллотропных модификаций, таких как поли- и нанокристаллический алмаз и аморфизованный графит.
2
Из приведенных на фиг.2 результатов экспериментальных исследований, полученных с использованием СВЧ плазмы матриц наноалмазографитовых автокатодов с толщиной менее 100 нм, можно видеть, что электрические напряженности пробойных полей, которые характеризуют электрическую прочность наноалмазографитовых пленок (кривая 3), от их толщины в точности повторяют ход зависимостей энергии активации проводимости этих пленок (кривая 2), а электрические напряженности порога автоэлектронной эмиссии (кривая 1), за который принимался ток эмиссии с плотностью 0,4 мкА/см, как и следовало ожидать, от толщины не зависят. (Расчеты энергии активации проводимости произведены, исходя из выражения для удельной проводимости островковых пленок, обусловленной туннелированием и термической активацией, необходимой для переноса заряда от одного первоначального нейтрального островка (гранулы) к другому, удаленного на некоторое расстояние от первого:
,
akt
где ΔE - эффективная энергия активации туннельного переноса электронов между графитовыми гранулами, ε - диэлектрическая постоянная (для наших пленок ε≈10), k - постоянная Больцмана, Т - температура).
2
Полученные осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например, этанола, матрицы многоострийных наноалмазографитовых автоэмиссионных катодов с толщиной менее 100 нм при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно, высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, плотность тока эмиссии при использовании повышенных рабочих напряжений достигала 20 А/см и более, а электрические напряженности пробойных полей возросли, по сравнению с электрической напряженностью пробойных полей структур прототипа, в 2,5-3 раза.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №767858, М. кл. H01J 1/30, 1978.
2. Патент RU 1738013, МКИ HJ 1/30, 1993.
3. Bonard J. - М., Salvetat J. - P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998, 73, p.918.
4. Патент RU 2309480, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2007.