СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПОРОГОВ НАЧАЛА АВТОЭМИССИИ, ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ АВТОЭМИССИОННЫХ ТОКОВ И ДЕГРАДАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СИЛЬНОТОЧНЫХ МНОГООСТРИЙНЫХ АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ
METHOD FOR REDUCING THRESHOLDS OF FIELD-EMISSION BEGINNING, INCREASING FIELD-EMISSION CURRENT DENSITY AND DEGRADATION RESISTANCE OF HIGH-CURRENT MULTI-TIP 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 [1]. 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 [2]. 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 [3]. 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 [4]. Получение композиционных наноалмазографитовых пленочных структур осуществляется осаждением в плазме микроволнового газового разряда паров углеродосодержащих веществ, например, этанола. Толщина пленки составляет менее 100 нм. Такие многоострийные наноалмазографитовые автоэмиссионные катоды при работе с повышенными рабочими напряжениями позволяют получать стабильную автоэлектронную эмиссию в течение длительного времени работы прибора в условиях технического вакуума.
Недостатком автоэмиссионных катодов, полученных на основе наноалмазографитовых пленочных структур, являются высокие напряженности поля начала автоэмиссии, а также недостаточно высокие плотности автоэмиссионных токов при небольших напряженностях внешних электрических полей.
Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионного катода на основе композиционного наноалмазографитового пленочного материала, которая при работе с более низкими электрическими напряжениями обеспечивала бы повышение плотностей токов автоэмиссии и деградационной стойкости (стабильности автоэлектронной эмиссии при более продолжительном ресурсе работы).
Поставленная цель достигается тем, что на композиционные наноалмазографитовые пленочные структуры в многоострийных автоэмиссионных катодах, представляющих собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов, осаждают тонкие (порядка нескольких параметров кристаллической решетки) диэлектрические слои с низкой электропроводностью и высокой диэлектрической проницаемостью, например, алмазных пленок.
Согласно представлениям Фаулера-Нордхейма, использованных при описании процессов автоэмиссиии, сила, действующая на электрон, определяется разностью потенциалов внешнего поля и сил зеркального изображения [5, 6]. Чем больше превышение сил внешнего электрического поля над силами зеркального изображения, тем уже и ниже величина потенциального барьера (ПБ), что приводит к экспоненциальному увеличению коэффициента туннелирования электронов. Однако, увеличение разности между этими силами возможно не только за счет увеличения внешнего поля, но и за счет уменьшения сил зеркального изображения. Уменьшение последних может быть достигнуто нанесением на автоэмиссионный катод тонких диэлектрических покрытий, в частности, алмазных. Большая диэлектрическая проницаемость алмаза (ε=16,5 [7]) приводит к сильному локальному ослаблению сил зеркального изображения и, соответственно, практическому отсутствию потенциального барьера на границе катод - алмазная пленка. Это способствует в дальнейшем уменьшению высоты и ширины потенциальных барьеров для туннелирования электронов на границе катод с алмазной пленкой - вакуум (такой ПБ оказывается существенно ниже и уже, чем у границы металл-вакуум).
Радиус действия сил зеркального изображения, как известно, ограничивается несколькими межатомными расстояниями. При толщинах диэлектрических покрытий, превышающих радиус действия сил зеркального изображения, их влияние на эти силы прекращается. Вместе с тем, увеличение толщины диэлектрика за счет конечной его проводимости приводит к уменьшению влияния внешнего электрического поля. Это уменьшает разность между названными электрическими силами и, как следствие, эффективность автоэмиссии.
Таким образом, благодаря осаждению туннельно-тонкого диэлектрического покрытия на многоострийный автоэмиссионный катод достигается уменьшение порога начала автоэмиссии с одновременным увеличением концентрации электронов способных преодолеть видоизмененный потенциальный барьер. Уменьшение внешних электрических полей для автоэмиссии понижает пондермоторные нагрузки на кристаллическую решетку материала автокатода. Это позволяет увеличить максимальные плотности автоэмиссионных токов, а за счет высокой теплопроводности и устойчивости к ионному распылению алмазной пленки повышаются при эксплуатации в условиях технического вакуума стабильность автоэмиссии и долговечность катодных структур. При наличии на катодной структуре сравнительно толстых диэлектрических пленок, выигрыш как в пороге начала автоэмиссии, так и величине максимального тока, отсутствует.
Катодную автоэмиссионную структуру на основе алмазографитовой нанокомпозитной пленки с тонким алмазным покрытием можно представить в виде трех последовательно соединенных конденсаторов. В первом конденсаторе диэлектриком является вакуумный промежуток, во-втором алмазная пленка, в третьем - алмазографитовая нанокомпозитная пленка. В отсутствие алмазного покрытия распределение потенциалов в системе складывается из падения напряжения на вакуумном прмежутке и алмазографитовой катодной структуре. При больших напряженностях внешних электрических полей, предназначенных для получения максимальных плотностей автоэмиссионных токов, напряжение на алмазографитовой струкуре может достигать пробивного значения. Результатом этого является возникновение электрического пробоя и разрушение катодной структуры. В автоэмиссионной структуре с тонкой алмазной пленкой при одинаковой напряженности внешнего электрического поля за счет падения напряжения на ней уменьшается разность потенциалов на композитной пленке. Поэтому, при фиксированном пробивном напряжении нанокомпозитной алмазографитовой пленки, для увеличения на ней разности потенциалов до пробивного значения общая напряженность внешнего электрического поля может увеличиваться.
Из приведенных на фиг. 1 экспериментальных зависимостей порога возбуждения автоэмиссии (кривая 1) и плотности максимального автоэмиссионного тока (кривая 2) от толщины алмазной пленки можно видеть, что с увеличением толщины в интервале от 3 до 8 нм порог начала автоэмиссии уменьшается по сравнению с прототипом более, чем в три раза (от 28 до 8 В/мкм), а максимальная плотность тока может увеличиваться более, чем в два раза. При этом установлено, что максимальная напряженность электрического поля, соответствующая максимальной плотности автоэмиссионного тока, увеличивается от 65 В/мкм до 75 В/мкм (порядка 15%).
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №767858, М.кл. Н01J 1/30, 1978.
2. Патент RU 1738013, МКИ НJ 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 2474909, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2013.
5. Fowler R.H., Nordheim L.W. // Proc. R. Soc. London. A. 1928. V. 119. P. 173.
6. Усанов Д.А., Яфаров P.K. Методы получения и исследования самоорганизующихся наноструктур на основе кремния и углерода. Саратов: Сарат. Гос.ун-т. 2011. 126 с.
7. Forouhi A.R., Bloomer I. // Physical Review В. 38 (3): 1865-1874. (1988).