АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД

Настоящая полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники, в частности, к источникам получения электронного потока - автоэмиссионным катодам (АЭК), выбору материалов для изготовления катодов. Подобные катоды используют в качестве источников электронов в различных электронных приборах-усилительных и генераторных приборах высокочастотной электроники, рентгеновских трубках, электронных микроскопах, источниках света, дисплеях.
В настоящее время широко известны автоэмиссионные катоды на основе различных наноструктурированных материалов с различными способами их изготовления.
Известен нановолоконный углеродный материал для холодных катодов (патент РФ 2288890, кл. H01J 1/30 C01B 31/02 B82B 3/00, опубликован 20.03.2005). Материал изготовленный по предложенному способу пригоден для изготовления автоэмиссионных катодов, однако изготовленные известными способами из этого материала катоды имеют недостаточную стабильность.
Известен холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения (патент РФ 2194328, кл. H01J 1/30, 9/02 опубликован 10.12.2002). Такой катод получен методом газофазного синтеза, включающим зажигание тлеющего разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждением углеродной пленки на, расположенную на аноде, подложку. При этом углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой катод позволяет добиться хорошей стабильности автоэлектронной эмиссии электронов, но метод его нанесения дорог и сложен, кроме того предусматривает разогрев подложки до высоких температур, что не всегда приемлемо.
Известен графеновый полевой эмиттер (катод) и способ его формирования (патент РФ 2400858, кл. H01J 1/30, 1/62, 9/00 опубликован 27.09.2010). Такой катод формируется литографическими методами из специально подготовленных графеновых слоев. Способ требует литографического оборудования высокого разрешения, а значит дорог, кроме того графен не всегда позволяет достичь оптимальных параметров эмиттера.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионный катод (патент РФ 2504858, кл. H01J 1/30, H01J 9/02, B82B 3/00, опубликован 20.01.2014). Автоэмиссионный катод выполнен из металл-наноуглеродного композита, содержащего металл, выбранный из ряда: медь, аллюминий, магний, серебро, золото, цинк, кадмий и/или их сплавы, В качестве наноуглеродного материала содержит компонент из ряда: углеродные нанотрубки, углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены, причем рабочая поверхность катода предварительно подвергнута шлифованию до шероховатости 50-20 мкм, структурированию химическим травлением и активированию плазменной обработкой. Существенным недостатком такого катода является высокий порог эмиссии - от 4000 вольт.
Задачей данной полезной модели является создание автоэмиссионных катодов с различными порогами эмиссии, позволяющих долговременно получить стабильный эмиссионный ток.
Для решения поставленной задачи предлагается изготавливать автоэмиссионный катод из алмазоподобных кремнийуглеродных пленок (АКУП) легированных металлами [1, 2]. Металлосодержащие АКУЛ являются нанокомпозитами и обладают широким диапазоном проводимости. Структура пленок позволяет вводить в материал металлы в концентрациях до 50 ат. % (при сохранении аморфности и однофазности). Последовательное увеличение содержания металла в нанокомпозите меняет как концентрацию носителей заряда, так и механизм проводимости. АКУП без добавки металла является типичным диэлектриком, а при концентрациях металла выше 30-40 ат. % нанокомпозит обладает металлической проводимостью, по-прежнему сохраняя механические и химические свойства, присущие алмазоподобным пленкам. В переходной области концентраций металла наблюдаются полупроводниковые свойства. При использовании карбидообразующего металла, в нанокомпозите образуются кристаллические частицы его карбида.
Главным фактором, определяющим выбор легирующего металла, являющегося основой нанофазы нанокомпозитной пленки эмитирующей электроны, является величина работы выхода электрона с поверхности материала нанофазы. Материалом нанофазы является карбид металла, вводимого в состав нанокомпозита. Из перечня девяти металлов, имеющих наиболее стабильные карбиды (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W), выбраны четыре металла с разной работой выхода электрона из соответствующих им карбидов. Металлы, их карбиды и величина работы выхода указаны в таблице 1.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.
Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство катода. Цифрой 1 обозначена ситаловая подложка, цифрой 2 - контактный металлический слой, цифрой 3 - алмазоподобная кремнийуглеродная пленка.
На Фиг. 2 приведена вольтамперная характеристика автоэмиссионного катода легированного титаном при включении его по схеме вакуумного диода.
Пример реализации предлагаемого автоэмиссионного катода.
Для получения заявляемого типа автоэмиссионного катода были изготовлены образцы автоэмиссионных катодов на основе АКУП легированных металлами, образующими карбиды. На ситаловые подложки магнетронным напылением наносился металлически слой из титана или нержавеющей стали, выполняющий роль электрического контакта. Далее, по технологии описанной в [1, 2] осаждались АКУП из плазмы паров полифенилметилсилоксана (ПФМС) марки ПФМС 2,5Л. Жидкий ПФМС, попадая через плазмотрон в вакуумную камеру, превращается в пар и затем в плазму под воздействием потока тепла и потока ускоренных электронов соответственно. Плазма, благодаря газодинамическим процессам, попадает на подложки где резко охлаждается, теряет электрический заряд и превращается в твердую пленку. Одновременно осуществляется легирование пленки металлом, путем магнетронного распыления соответствующей мишени магнетрона. Пленки, получаемые из ПФМС, обладают свойствами близкими к традиционным алмазоподобным пленкам, но во многом превосходят их. Высокая механическая и химическая стабильность алмазоподобных пленок обеспечивает долговременную стабильность эмиссии катода.
Таким образом, получаются легированные кремнийуглеродные пленки с контролируемым размером частиц нанофазы карбида металла.
Исследование вольтамперных характеристик АЭК производилось в вакуумной камере при включении по схеме вакуумного диода с расстоянием катод-анод 10 мкм.
В таблице 2 приведены измеренные значения порогов эмиссии образцов АЭК в зависимости от легирующего металла.
Измерения показали, что образец катода, легированный титаном, обладает наименьшим значением напряжения порога эмиссии. Наиболее высоким напряжением порога эмиссии обладает образец катода легированный танталом. Высокое напряжение порога эмиссии образца катода легированного танталом может быть объяснено его самым высоким значением работы выхода электрона по отношению к другим образцам.
Таким образом, предложенный автоэмиссионный катод позволяет создавать новый тип автоэмиссионных катодов из алмазоподобных пленок. Технический результат полезной модели - получение стабильных автоэмиссионных катодов с различными порогами эмиссии.
Источники информации
1. М.Л. Шупегин, Осаждение пленок металлсодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», №2. 2013. Том 79. С. 28-32.
2. Ю.В. Пархоменко, М.Д. Малинкович, Е.А. Скрылева, М.Л. Шупегин. Технология получение, структура и свойства металлсодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. 2005. №3. С. 12-16.