ЯЧЕЙКА С АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИЕЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CELL WITH FIELD EMISSION AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к автоэлектронным катодам, и может быть использовано в производстве плоских дисплеев.
Известно устройство плоского дисплея, который содержит автоэмиссионный эмиттер на основе углеродных нанотрубок (см. патент US №7196463, МКИ: H01J 63/04, опубл. 27.03.2007 г.). Плоский дисплей способен работать при низком - от нескольких вольт до нескольких десятков вольт напряжении на управляющих электродах. Дисплей использует углеродные нанотрубки в качестве материала для эмиттеров электронов. Конструкция дисплея выбрана так, что разность между напряженностями поля, при которых достигаются максимальная и минимальная плотности тока эмиссии, не превышает 1 В/мкм, а предпочтительнее не более 0,5 В/мкм. Положительное качество такого устройства - высокая плотность тока и низкая рабочая разность потенциалов между эмиттером и управляющим электродом.
Недостатком этой конструкции является наличие сложной системы эмиттеров: из-за разброса высоты нанотрубок и существования экранировки соседних нанотрубок эмиттер критичен к уровню приложенного ускоряющего напряжения. Устранение этого недостатка и обеспечение однородности эмиссии ведет к необходимости удовлетворения жесткого требования идентичности нанотрубок. Практическая реализация его существенно усложняет технологию изготовления.
Известно устройство дисплея (см. патент JP №3688970, МКИ: H01J 31/12, H01J 9/02, H01J 29/04, опубл. 31.08.2005 г.), в котором электрод для эмиссии электронов формируют путем нанесения одна на другую тонких пленок иридия, платины и золота и выполнения термообработки для получения электрода с неоднородностями, имеющего структуру островков. Островки распределены вперемежку между участками плоской тонкой пленки. Сформированные неоднородности способствуют повышению эффективности полевой эмиссии.
Эффект взаимной экранировки эмитирующих неоднородностей в пределах каждого из островков приводит к подавлению эмиссии в центральной части. Поэтому активная эмиссия существует лишь с периферийной, граничной части каждого островка, что ограничивает эффективность эмиттера в целом.
Недостаток такой эмиссионной композиции для ячейки с автоэлектронной эмиссией заключается в том, что вероятность полевой эмиссии с острий нанотрубок существует для тех из них, которые одновременно удовлетворяют трем условиям: имеют электрический контакт с катодным электродом, пересекают сплошной слой диэлектрика и выходят в рабочее пространство. Остальные нанотрубки, не удовлетворяющие хотя бы одному из перечисленных условий, не эмитируют. Ограничение взаимной экранировки соседних нанотрубок остается в силе и является фактором дополнительного уменьшения автоэмиссионного тока.
Наиболее близким аналогом - прототипом к изобретению является ячейка с автоэлектронной эмиссией, описанная в патенте ЕР №1505621, опубл. 09.02.2005 г., МКИ: H01J 1/304. Эмиссионная композиция для ячейки с автоэлектронной эмиссией, наносимая печатным способом на катодную подложку дисплея, содержит углеродные нанотрубки, связующий материал, стеклянную фритту, диспергатор и органический растворитель, а также 0,1-20% алмаза. Наличие в составе композиции одновременно углеродных нанотрубок и алмаза позволяет получить повышенные плотности тока при таком же напряжении возбуждения и тем самым улучшить эмиссионные свойства. Кроме того, такая ячейка может быть эффективно сформирована способом печати и обеспечивает стабильную эмиссию.
Недостаток устройства заключается в том, что вероятность полевой эмиссии с острий нанотрубок существует лишь для тех из них, которые имеют электрический контакт с катодным электродом, пересекают сплошной слой диэлектрика и выходят в рабочее пространство. Остальные нанотрубки, не удовлетворяющие хотя бы одному из перечисленных условий, не эмиттируют.
Перечисленные недостатки заявленным техническим решением устраняются.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении активизации существующих и образовании дополнительных центров автоэмиссии на проводящих наноструктурных частицах эмиттерного слоя, в уменьшении интенсивности нагружения эмиттируемых наноразмерных структур, в устранении критичности автоэмиссионных структур к разбросу размеров наноразмерных токопроводящих структур и, соответственно, в долговечности и высокой информативности экрана, а также в упрощении технологических процессов при его изготовлении.
Указанный технический результат достигается тем, что в ячейку с автоэлектронной эмиссией, содержащей две диэлектрические пластины, на одной из двух диэлектрических пластин выполнены, по крайней мере, один катодный электрод с эмитерным слоем, включающим наноразмерные токопроводящие структуры, один управляющий электрод, диэлектрическую рамку, герметично соединяющую две диэлектрические пластины, эмиттерный слой выполнен в виде гетерогенной структуры, при этом гетерогенная структура выполнена в виде дополнительных концентраторов электрического поля в виде внедренных нано- и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала в совокупности с наноразмерными токопроводящими структурами эмиттерного слоя, причем в гетерогенной структуре выполнены наноразмерные зазоры между поверхностями наноразмерных токопроводящих структур и частиц диэлектрического материала.
Кроме того, в ячейке с автоэлектронной эмиссией частицы диэлектрического материала образуют структуры островкового типа.
Указанный технический результат в способе изготовления ячейки с автоэлектронной эмиссией, включающем нанесение на одну из двух диэлектрических пластин, по крайней мере, одного катодного электрода с эмиттерным слоем, нанесение на эмиттерный слой наноразмерной токопроводящей структуры, формирование одного управляющего электрода, достигается тем, что осуществляют смешивание наноразмерной токопроводящей структуры и частиц диэлектрического материала в определенной пропорции, затем проводят послойное электрофоретическое высаживание наноразмерных токопроводящих структур и частиц диэлектрического материала.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.
На фиг.1 схематично изображена ячейка с автоэлектронной эмиссией.
На фиг.2 изображены отдельные фрагменты ячейки с автоэлектронной эмиссией: а) фрагмент катодного электрода с управляющим электродом; б) подложка с нанесенным катодным электродом и управляющим электродом - в разрезе, вид прямо; с) фрагмент дополнительного концентратора - вид сверху.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - ячейка с автоэлектронной эмиссией;
2 - диэлектрические пластины (первая и вторая);
3 - управляющий электрод;
4 - катодный электрод;
5 - эмиттерный слой (гетерогенная структура);
6 - наноразмерные токопроводящие структуры;
7 - дополнительные концентраторы;
8 - частицы диэлектрического материала;
9 - наноразмерные зазоры между наноразмерными токопроводящими структурами 6 и частицами диэлектрического материала 8;
10 - диэлектрическая рамка, герметично соединяющая две пластины 2.
В соответствии с настоящим изобретением ячейка с автоэлектронной эмиссией 1 содержит две диэлектрические пластины 2. На одной из двух диэлектрических пластин 2 выполнен управляющий электрод 3 и катодный электрод 4, на котором расположен эмиттерный слой 5. Эмиттерный слой 5 включает наноразмерные токопроводящие структуры 6. Эмиттерный слой 5 содержит дополнительные концентраторы 7 электрического поля, внедренных нано- и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала 8. Дополнительные концентраторы 7 в виде внедренных нано- и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала 8 в совокупности с наноразмерными токопроводящими структурами 6 эмиттерного слоя 5 образуют гетерогенную структуру. В гетерогенной структуре выполнены наноразмерные зазоры 9 между наноразмерными токопроводящими структурами 6 и частицами диэлектрического материала 8. Рамка 10, например стеклянная, герметично соединяет две диэлектрические пластины 2.
Пример конкретного исполнения
Была изготовлена ячейка с автоэлектронной эмиссией 1 (см. фиг.1). Ячейка с автоэлектронной эмиссией 1 содержит две диэлектрические пластины 2, герметично соединенные стеклянной рамкой 10. На одной из двух диэлектрических пластин 2 сформировали катодный электрод 4 с эмиттерным слоем 5. При этом эмиттерный слой 5 содержит наноразмерные токопроводящие структуры 6 и управляющий электрод 3. Проводят смешивание наноразмерных токопроводящих структур 6 и частиц диэлектрического материала 8 в определенной пропорции. Проводят послойное электрофоретическое высаживание наноразмерных токопроводящих структур 6 и частиц диэлектрического материала 8.
Использование описываемой конструкции ячейки с автоэлектронной эмиссией по сравнению с известными конструкциями ячеек с автоэлектронной эмиссией позволяет получить следующие преимущества:
- используется выявленный эффект локализации электростатического поля в окрестности граничной поверхности нано- и микроразмерных диэлектрических частиц; максимальный коэффициент усиления напряженности внешнего поля составляет 2,0÷3,5 раза при изменении относительной диэлектрической проницаемости в диапазоне 4÷400 и размера диэлектрической частицы в диапазоне 20÷2000 нм. На расстоянии 0,2·d (d - поперечный размер частицы, измеренный в направлении вектора напряженности приложенного внешнего поля) обеспечивается коэффициент усиления внешнего поля не ниже 1,5. Локализация поля в окрестности диэлектрических частиц обеспечивает активацию существующих и образование дополнительных центров автоэмиссии на проводящих наноструктурных частицах эмиттерного слоя;
- одновременно достигается снижение пороговой разности потенциалов для обеспечения требуемого уровня автоэмиссионного тока эмиттера, уменьшение интенсивности нагружения эмитируемых наноразмерных структур, замедляются процессы деградации эмиттера и повышается его долговечность, обеспечивается защита эмитируемых наноразмерных структур от ионной бомбардировки и снижается разрушающее влияние пондеромоторных сил;
- устраняется критичность автоэмиссионных структур к разбросу размеров наноразмерных токопроводящих структур, обеспечивается стабильность автоэмиссиии.