ОСТРИЙНЫЙ ПОЛЕВОЙ ЭМИТТЕР

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. Для получения полевой эмиссии при умеренных рабочих напряжениях создают острийные полевые эмиттеры. Однако такие эмиттеры достаточно долговечны только в низковольтных электронных приборах, эксплуатируемых при низком давлении остаточного газа и при отборе малых токов. В высоковольтных электронных приборах, работающих в техническом вакууме и при отборе больших токов эмиссии, такие полевые эмиттеры быстро разрушаются под действием бомбардировки ионами остаточных газов.
-7
-8
Хорошо отработана технология создания острийных полевых эмиттеров из разного типа полупроводников, например, из кремния [Е.И. Гиваргизов, Контролируемый рост нитевидных кристаллов и создание монокристаллических вискерных зондов, Кристаллография, 2006, т. 51, №5, с.947-953]. Применение таких эмиттеров зачастую затруднено не только потому, что они разрушаются под действием ионной бомбардировки, но также и по той причине, что они имеют недостаточную проводимость. Кроме того, тонкие полупроводниковые острия на поверхности острийных полевых эмиттеров, обеспечивающие возможность получения токов эмиссии при низких рабочих напряжениях, как правило, недостаточно прочны и разрушаются под действием пондеромоторных сил уже при умеренных значениях электрического поля и отбираемого тока эмиссии. Использование острийных полупроводниковых полевых эмиттеров в высоковольтных электронных приборах, работающих в техническом вакууме (10-10 Тор), становится возможным, если одновременно повысить их проводимость и прочность, а также устойчивость к воздействию ионной бомбардировки.
Легирование полупроводниковых материалов позволяет, в принципе, заметно увеличить их проводимость. Однако, прочность острийных полевых эмиттеров, изготовленных из сильно легированных полупроводников, как правило, невелика. Как показано в работе [A.V. Karabutov et al., Peculiarities of field electron emission from CVD diamond films, J. De Physique IV, C5 (1996) 113], проводимость исходно плохо проводящей поверхности острийного полевого эмиттера может быть повышена, если на него нанести, даже тонкий слой металла. Авторы исследовали исходно плохо проводящие полевые эмиттеры с тонким (4 нм) слоем никеля на поверхности. Такой слой металла повышал проводимость поверхности полевого эмиттера. Но очевидно, что столь тонкое покрытие не может существенно увеличить прочность эмиттера. Не может такая металлизация и защитить эмиттер от разрушающего воздействия ионной бомбардировки. Поэтому она практически не повышает долговечности эмиттера при его эксплуатации в техническом вакууме.
В прототипе изобретения [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] разработаны и исследованы острийные полевые эмиттеры с остриями длиной l и с радиусом вершины R, имеющие аспектное отношение l/R более 10, оснащенные покрытием из молекул фуллеренов и/или металлофуллеренов.
60
60
Тонкие фуллереновые покрытия (толщиной до 2-6 монослоев) защищают острийный полевой эмиттер от разрушающего воздействия ионной бомбардировки и самовоспроизводятся в присутствии интенсивной ионной бомбардировки. Поэтому острийные полевые эмиттеры с таким покрытием способны долговечно работать при эксплуатации катода в техническом вакууме. Чисто фуллереновые покрытия имеют большую работу выхода (более 5 эВ). Но работа выхода фуллереновых покрытий может быть уменьшена в результате его обработки (активирования) потоком медленных (с энергиями ~40-100 эВ) ионов калия. Активирование потоком ионов калия позволяет понизить рабочие напряжения, необходимые для отбора фиксированного тока полевой эмиссии из-за образования в покрытии устойчивых металлофуллеренов типа эндоэдралов С@K и/или экзоэдралов K@С.
Авторы работы-прототипа исследовали функционирование острийных полевых эмиттеров из вольфрама с чисто фуллереновыми и с активированными фуллереновыми покрытиями. Однако, можно предположить, что фуллереновые покрытия могут быть использованы для защиты от ионной бомбардировки не только металлических, но и полупроводниковых катодов. Понятно, что тонкий слой молекул фуллеренов и/или металлофуллеренов (несколько монослоев) не может существенно увеличить ни прочность острийного полевого эмиттера, ни проводимость его поверхности.
В предлагаемой полезной модели одновременно решаются задачи по улучшению характеристик острийных полевых эмиттеров, в том числе:
- по повышению их долговечности;
- увеличению их проводимости, а вместе с этим уменьшению падения напряжения на эмиттере при отборе тока;
- к увеличению прочности эмиттеров и к обеспечению в связи с этим отбора больших токов эмиссии.
max
max
Обеспечивает решение всех перечисленных проблем острийный полевой эмиттер, включающий по меньшей мере одно острие, который содержит полупроводниковую основу с покрытием из металла и покрытие толщиной 2-6 монослоев из молекул фуллеренов и/или металлофуллеренов, нанесенное поверх металла, причем толщина Δ покрытия из металла удовлетворяет соотношению 1-4 нм ≤Δ≤Δ, где Δ - максимальная толщина покрытия, при которой рабочее напряжение при отборе необходимого тока эмиссии не превосходит заданного значения (определяется техническим заданием).
Острийный полевой эмиттер с перечисленными выше отличительными признаками может содержать более одного острия.
В случае, если эмиттер содержит более одного острия, острия примерно одинаковы по длине l и радиусу вершины R и расположены на расстоянии h друг от друга. При выполнении условия h≈2l практически отсутствует экранировка эмиттеров и можно получить фиксированный ток эмиссии при минимальном напряжении [Г.С. Бочаров, А.В. Елецкий, Влияние экранировки на эмиссионные характеристики холодных полевых катодов на основе углеродных нанотрубок, ЖТФ, 2005, т. 75, №7, с. 126-130]. Принципиально могут использоваться острийные полевые эмиттеры, у которых h>2l или h<2l, если допустима работа эмиттера при повышенных напряжениях.
60
60
Острийный полевой эмиттер с перечисленными выше отличительными признаками может иметь покрытие из молекул фуллеренов и/или металлофуллеренов типа типа эндоэдралов С@K и/или экзоэдралов K@С, котороле защищает эмиттер от разрушающего воздействия ионной бомбардировки.
60
60
Острийный полевой эмиттер с перечисленными выше отличительными признаками может быть защищен от разрушающего воздействия ионной бомбардировки также покрытием из молекул фуллеренов и/или металлофуллеренов типа эндоэдралов C@Cs и/или экзоэдралов Cs@C.
Поставленная техническая задача успешно решается при использовании обоих типов метало-фуллереновых покрытий.
Предлагаемое решение за счет указанных выше отличительных признаков обеспечивает высокую долговечность острийных полупроводниковых полевых эмиттеров с двухслойным металл-фуллереновым покрытием при отборе с их поверхности больших токов в условиях технического вакуума.
Для проверки возможности реализации полезной модели было проведено исследование одноострийных и многоострийных полевых эмиттеров из кремния. Измерялись токи эмиссии эмиттеров без каких-либо покрытий, с покрытиями из молибдена, а также с двухслойными металл-фуллереновыми покрытиями.
Сущность полезной модели и возможность ее реализации поясняют фиг. 1-3. Фиг. 1 - Схематическое изображение диодной измерительной системы с острийным полевым эмиттером, использованной в экспериментах. Фиг. 2 - Изображение участка поверхности одного из острийных полевых эмиттеров. Фиг. 3 - Типичные изменения тока эмиссии острийного полевого эмиттера во время его работы.
Диодная измерительная система (фиг. 1), создана на основе полевого эмиссионного проектора. Здесь 1 - острийный полевой эмиттер, 2 - экран проектора, выполняющий одновременно функцию анода, 3 - источник напряжения U, которое подавалось между острийным полевым эмиттером (катодом) и анодом, 4 - прибор для измерения тока полевой эмиссии с острийного полевого эмиттера. Экран 2 располагался на расстоянии 1-3 см от торца острийного полевого эмиттера 1. В процессе измерений можно было наблюдать эмиссионные изображения острийного полевого эмиттера на экране проектора. Измерения эмиссионных характеристик острийных полевых эмиттеров проводились при комнатной температуре катода 1.
-10
-9
-6
Экспериментальный прибор подвергался непрерывной откачке с помощью криосорбционного форвакуумного насоса и высоковакуумного магнитно-разрядного насоса. Прибор был оснащен системой напуска азота. Напуск азота позволял оперативно менять давление в экспериментальном приборе от минимального порядка 10-10 Тор до 10 Тор и обратно.
Вакуумная камера экспериментального прибора была оснащена испарителем молибдена, который использовался для нанесения молибденовых покрытий на острийный полевой эмиттер, источником для напыления молекул фуллерена, а также источником ионов калия, который использовался для обработки (активирования) фуллереновых покрытий. Острийный полевой эмиттер крепился на подвижной подвеске и его можно было оперативно перемещать в откачиваемом приборе с помощью специального манипулятора к напылителю молибдена (для создания металлизации), к напылителю фуллеренов (для создания фуллеренового покрытия) и к источнику ионов калия (для активирования фуллеренового покрытия).
Морфология поверхности острийных полевых эмиттеров контролировалась с использованием растровых электронных микроскопов до установки в экспериментальный прибор и после окончания экспериментов.
2
Радиус R вершины кремниевых острий на поверхности острийных полевых эмиттеров варьировался для разных образцов в пределах примерно от 5 до 25 нм. Длина острий l менялась приблизительно от 5 до 40 мкм. У острийных полевых эмиттеров, изображенных на фиг. 1, на торцевой поверхности кремниевого штабика диаметром 0,2-0,7 мм располагались острия, которые и являлись источником полевой эмиссии. Количество острий на этой поверхности менялось от 1 приблизительно до 350. Кроме эмиттеров типа приведенных на фиг. 1, исследованы также многоострийные полевые эмиттеры существенно большей площади порядка 0,5-1 см.
Расстояние h между остриями многоострийных полевых эмиттеров, а также высота острий менялись для разных образцов эмиттеров. Как правило, для исследованных многоострийных полевых эмиттеров отношение h/l не превышало значений ~1-1,5. При такой морфологии поверхности не исключается частичная экранировка острийных полевых эмиттеров, приводящая в диодной структуре заданной конфигурации к уменьшению электрического поля у поверхности острий и к увеличению рабочих напряжений, необходимых для отбора фиксированных токов полевой эмиссии [Г.С. Бочаров, А.В. Елецкий, Влияние экранировки на эмиссионные характеристики холодных полевых катодов на основе углеродных нанотрубок, ЖТФ, 2005, т. 75, №7, с. 126-130]. Однако это обстоятельство не помешало получению экспериментальных доказательств реализуемости полезной модели.
3
4
-1
-1
-1
-1
Проведенные измерения свидетельствуют, что прочность острийных полевых эмиттеров, изготовленных из сильно легированного кремния n-типа с довольно высокой проводимостью ~10-10 Ом·см, невелика. Острийные полевые эмиттеры из кремния p-типа с низкой в холодном состоянии проводимостью ~10 Ом·см прочнее и поэтому позволяют отбирать большие токи, однако, только в условиях, когда их проводимость увеличена нагревом до температуры ~200-400 C. Создание даже тонкого (1-4 нм) молибденового покрытия обеспечивает достаточную проводимость поверхности эмиттеров из кремния p-типа.
Для того, чтобы увеличить прочность острийного полевого эмиттера, приходится создавать на его поверхности существенно более толстый слой металла. Выбирая толщину слоя металлизации, следует учитывать, что прочность эмиттера зависит от материала, из которого изготовлены острия и от радиуса их вершины. Исследованные острийные полевые эмиттеры имели малый радиус вершины острий порядка 5-25 нм и для того, чтобы они не разрушались при отборе с их поверхности токов более 100-150 мкА, требуется металлизация толщиной порядка или даже больше радиуса вершины кремниевых острий.
Острийные полевые эмиттеры из кремния с молибденовым покрытием при работе с отбором больших токов в техническом вакууме разрушаются под действием ионной бомбардировки. Как показали проведенные измерения, нанесение поверх молибденового покрытия, даже тонкого (толщиной 2-6 монослоев) слоя молекул фуллеренов делает острийный полевой эмиттер стойким к воздействию ионной бомбардировки. Однако нанесение такого покрытия сопровождается увеличением примерно на 10% рабочих напряжений, необходимых для отбора фиксированных токов эмиссии. Обработка созданного фуллеренового покрытия потоком медленных ионов калия с энергией 40 эВ (активирование покрытия) позволяла снизить рабочие напряжения на 25%.
-7
3
4
2
Полученные данные свидетельствуют, что острийный полевой эмиттер с двухслойным покрытием, включающим слой молибдена с нанесенным поверх него активированным фуллереновым покрытием, долговечно работает в техническом вакууме при отборе больших токов. Типичные изменения во времени тока эмиссии I(t) с много-острийного (примерно 300 острий) полевого эмиттера из кремния p-типа с покрытием острий, включающим слой молибдена толщиной ~30 нм на остриях с радиусом вершины ~20 нм и нанесенное поверх металлизации активированное в результате бомбардировки ионами калия фуллереновое покрытие толщиной 2 монослоя, показаны на фиг. 3. Приведенная на фиг. 3 характеристика измерена при постоянном напряжении U=6,26 кВ и типичном техническом давлении в экспериментальном приборе ~10 Тор. Полученный ток эмиссии 240 мкА соответствует чрезвычайно большим значениям плотности тока ~10-10 А/см с каждого из острий острийного полевого эмиттера. Работа острийного полевого эмиттера стабильна. Ток эмиссии практически не меняется в течение 5 часов. Флюктуации тока, типичные для высококачественных полевых эмиттеров, не превышают приблизительно ±2-3%. При измерении характеристик I(t) максимальный интервал времени в течение одного рабочего дня обычно не превышал 5-6 часов. Однако высокую долговечность созданных острийных полевых эмиттеров при эксплуатации в техническом вакууме подтверждают многократные длительные измерения характеристик I(f), выполненные в разные дни.
max
Увеличение толщины молибденового покрытия позволяет увеличить прочность острий и обеспечить получение больших эмиссионных токов. Однако утолщение молибденового покрытия ведет к увеличению диаметра вершины острий и к повышению напряжений, необходимых для отбора фиксированных токов. В связи с этим толщина покрытия Δ не должна превышать значения Δ, при котором напряжение достигает максимальной допустимой величины.
Таким образом, в проведенных экспериментах получено подтверждение возможности практической реализации предлагаемых в заявке острийных полевых эмиттеров.
60
60
Существующие литературные данные [Е.Е.В. Campbell, R. Tellgmann, Ν. Krawez, I.V. Hertel, Production LDMS characterization of Endohedral Alkali-fullerene Films, J. Phys. Chem. Solids., 1997, v. 58, №11, p. 1763-1769] свидетельствуют, что активирование фуллереновых покрытий может производиться не только потоком ионов калия, но, например, и ионами цезия. Образование металлофуллеренов типа эндоэдралов C@Cs и/или экзоэдралов Cs@C. должно также вести к уменьшению работы выхода покрытия.
Предлагаемые полевые эмиттеры устойчивы к ионной бомбардировке, могут быть использованы для получения больших токов эмиссии в высоковольтных вакуумных приборах, в том числе, в устройствах СВЧ электроники, а также в портативных источниках рентгеновского излучения, работающих в техническом вакууме.