Холодный эмиттер электронов

Изобретение относится к устройствам для получения электронного потока, т.е. к источникам (эмиттерам) электронов, а именно - к холодным катодам. Указанные устройства могут использоваться в качестве холодных эмиттеров электронов в различных электронных приборах - плоских дисплеях, в электронных микроскопах, рентгеновских трубках, СВЧ-электронике и т.п. Сущность изобретения состоит в том, что разработан холодный эмиттер электронов, включающий электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее наружной поверхности, причем этот углеродный слой состоит из нанопористого углерода, имеющего поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом суммарный объем пор нанопористого углерода составляет от 50 до 90 об. %. Свойства применяемых образцов нанопористого углерода, используемого в качестве подложки, представлены в таблице. Техническим результатом является создание холодного эмиттера электронов, обеспечивающего плотности токов при нормальной температуре 100-200 мкА/см² практически при любой площади эмиссии с высокой однородностью тока. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для получения электронного потока, т.е. к источникам (эмиттерам) электронов, а именно - к холодным катодам. Указанные устройства могут использоваться в качестве холодных эмиттеров электронов в различных электронных приборах - плоских дисплеях, в электронных микроскопах, рентгеновских трубках, СВЧ-электронике и т.п.

В настоящее время в качестве основы для создания эффективных катодов рассматриваются различные материалы на основе углерода [Журнал технической физики, 2001 г., т.71, вып.11, стр.89-95].

Известны [патент РФ 2099808, кл. H 01 J 1/30, oп. 20.12.1997] пленочные катоды, содержащие подложку с нанесенной на нее алмазной пленкой.

Известен [патент РФ 2083018, кл. H 01 J 1/30, oп. 27.06.1997] электронный эмиттер и способ его формирования. Этот эмиттер имеет покрытие из алмазного материала, нанесенное избирательно на поверхность профилированного материала. Однако способ изготовления такого эмиттера сложен в исполнении и дорог, и такой эмиттер обладает низкой плотностью эмиттирующих центров и потому не достаточно эффективен.

Известен [патент РФ 2075129, кл. H 01 J 1/30, oп. 10.03.1997 г.] холодный эмиттер для вакуумных приборов, выполненный из пористого материала с максимально возможной пористостью, причем при 20°С глубина пор составляет 80 мкм. Боковые стенки этих пор должны быть перпендикулярны к поверхности эмиттера. Это позволяет увеличить в статическом режиме плотность эмиттируемых электронов до 100 мкА/см². Однако для получения приемлемых токов эмиссии на таком катоде необходимо применять довольно большие внешние электрические поля, например значение Е около 10⁵ В/см² для I=100-200 мкА.

Известен [патент РФ 2194328, кл. H 01 J 1/30, oп. 10.12.2002] холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения. Такой катод содержит подложку с нанесенной на нее углеродной пленкой, при этом указанная пленка выполнена в виде последовательно осажденных двух углеродных пленок: углеродной пленки в виде структуры нерегулярно расположенных микро- и наноребер и микро- и нанонитей, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки, с характерным масштабом от 0,005 до 1 мкм и плотностью расположения 0,1-100 мкм^-2 и углеродной пленки в виде наноалмазного покрытия толщиной 0,1-0,5 мкм.

Способ получения такого катода осуществляют путем зажигания разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждения на расположенную на аноде подложку для углеродной пленки. Углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой способ нанесения также дорог и сложен.

Наиболее близким по технической сущности является [WО 03069649, кл. H 01 J 1/304, оп. 21.08.2003 г.] эмиттер электронов, способный испускать электроны при низком напряжении, имеющий электронное сродство ниже 4 eV. Холодный катод состоит из полупроводниковой подложки, имеющей шероховатую поверхность, на которую нанесена пленка толщиной менее 50 нм, представляющая собой наноразмерные волокна или нанотрубки.

Пленку получают из нитридов элементов III группы Периодической таблицы, например из нитридов алюминия, бора, углерода и т.п.

Однако при изучении рабочих характеристик рассматриваемых катодов наблюдается большая нестабильность эмиссионных токов во времени (до 25%), что зачастую недопустимо для применения таких катодов на практике.

Задачей, стоящей перед разработчиками предлагаемого изобретения, было создание холодного эмиттера электронов, имеющего большую площадь, эмиттирующую электроны - до от 10² см и более, с высокой плотностью эмиссии при температуре окружающей среды (порядка 100-200 мкА/см²), со стабильными характеристиками.

Указанная задача решается за счет создания эмиттера, имеющего на электропроводящей подложке слой нанопористого углерода.

Сущность изобретения состоит в том, что разработан холодный эмиттер электронов, включающий электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее наружной поверхности, причем этот углеродный слой состоит из нанопористого углерода, имеющего поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом суммарный объем пор нанопористого углерода составляет от 50 до 90 об.%.

Холодный эмиттер электронов отличается и тем, что объем пор размером от 0,6 до 4 нм составляет 35-55 об.%.

Указанный нанопористый углерод получают термохимической обработкой хлором при температуре 400-1100°С карбидов элементов III-V групп Периодической таблицы:

ЭлС + nCl₂ → ЭлСl_n + С,

где ЭлС - карбидообразующий элемент, С - нанопористый углерод, или НПУ.

Реакция хлорирования обеспечивает полное удаление карбидообразующего элемента из состава карбида. После хлорирования осуществляют удаление хлора из решетки нанопористого углерода (дехлорирование) обработкой инертными газами, водородом или аммиаком при температуре 500-700°С.

Холодный эмиттер по изобретению выполняется в виде подложки с нанесенным на нее углеродным слоем нанопористого углерода.

Свойства применяемого нанопористого углерода представлены в таблице.

В графе 1 показан исходный материал для изготовления образца, в следующих графах - его свойства.

Размер пор определяется адсорбционно-структурным методом (низкотемпературной адсорбцией азота).

Для определения параметров эмиссии готового устройства были изготовлены макеты диодов, в которых в качестве катода использовался эмиттер по изобретению, имеющий площадь покрытия 1-2 см², а положительный потенциал (100-300 В) подавался на сплошной или сетчатый электрод, располагаемый на расстоянии около 1 мм от поверхности эмиттера. Измерялись токи эмиссии после его предварительной термической обработки в течение испытаний, длившихся до 200 часов.

На фигуре 1 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) холодной электронной эмиссии катода, приготовленного на основе порошкообразного нанопористого углерода. На правой оси графика отложены соответствующие значения плотности тока. Напряженность приложенного электрического поля можно оценить как значения U/0.7 мм.

На Фиг.2. представлена временная зависимость эмиссионного тока при комнатной температуре и приложенном тянущем напряжении 450 В для катода, изготовленного на основе порошкообразного НПУ. Правая ось отражает соответствующие значения плотности тока.

Таким образом, данным изобретением разработан холодный эмиттер электронов, обеспечивающий плотности токов при нормальной температуре 100-200 мкА/см² практически при любой площади эмиссии с высокой однородностью тока.

Холодный эмиттер электронов, включающий электропроводящую подложку с углеродным слоем на ее наружной поверхности, отличающийся тем, что углеродный слой состоит из нанопористого углерода, имеющего поры диаметром от 0,6 до 4 нм, при этом объем пор нанопористого углерода составляет от 50 до 90 об.%.