Способ повышения плотностей тока автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмисионных катодов

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии углеродных структур. Синтез материала эмиттера автоэмиссионного катода осуществляют в плазме микроволнового газового разряда из паров углеродосодержащих веществ, например этанола. Образующийся композиционный материал представляет собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов. Автоэмиссионный катод изготавливают в виде слоистой структуры с периодически встроенными наноалмазографитовыми пленочными структурами на тонких теплопроводящих диэлектрических подложках, а автоэмиссионный токоотбор осуществляют с торца слоистого автокатода. Изготовление автоэмиссионного катода осуществляется по технологии, совместимой с технологией производства кремниевых интегральных схем. Технический результат - повышение механической и электрической прочности, плотности автоэмиссионных токов и деградационной стойкости при работе с повышенными напряжениями.

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии из композитных наноалмазографитовых структур.

Известен способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода, в котором матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [а.с. СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.]. При изготовлении матрицы по этому способу 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.

Известен также термохимический способ формирования регулярной многоострийной матрицы автоэмиссионного катода из стеклоуглерода [Патент RU 1738013, МКИ Н01J 1/30, 1993]. Для этого на поверхности углеродной подложки формируется вспомогательный слой из переходного материала с необходимой топологией. В качестве переходного контактного материала при термохимическом травлении используется никель, хорошо растворяющий углерод при температуре 800-1000°C. В результате термохимического травления в водородной печи при Т=1000-1100°C и последующего удаления слоя никеля на углеродной подложке образуется многоострийная структура. Формирование слоя переходного металла с системой микроотверстий проводится с помощью технологий фотолитографии и гальванического наращивания. Плотность упаковки матричных стеклоуглеродных эмиттерных структур, изготовленных по данной технологии, достигает 106 см-2. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заостряются в кислородной плазме. После заострения их радиус составляет 0,3-0,5 мкм.

Однако при таком способе формирования матрицы многоострийных катодов невозможно обеспечить их высокую плотность упаковки. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения, ионной бомбардировки и, как следствие, к деградации многоострийных катодов. Кроме того, многоэтапность и сложность технологии ограничивает ее применение и конкурентоспособность.

Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [Bonard J. - М., Salvetat J. - Р., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. 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 108 см-2. 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 связано с разрушением односторонних нанотрубок под действием высоких температур из-за плохого теплоотвода по длине нанотрубок от эмиссионных центров.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу получения автоэмиссионных поверхностей является способ получения многоострийных катодов в виде композиционного материала, представляющих собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов [Патент RU 2474909, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2013]. Получение наноалмазографитовых структур осуществляется осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола, при температуре подложки в интервале от 200 до 350°C. Толщина пленки составляет менее 100 нм. Такие пленочные структуры позволяют получать стабильную автоэлектронную эмиссию с поверхности пленки в течение длительного времени работы прибора в условиях технического вакуума.

Недостатком автоэмиссионных катодов, полученных на основе наноалмазографитовых структур, является то, что в условиях длительной эксплуатации при высоких плотностях автоэмиссионных токов, которое достигается при повышенных напряженностях внешнего электрического поля, происходит разрушение эмиттирующей структуры.

Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионного катода на основе композиционного наноалмазографитового пленочного материала, которая обеспечивала бы существенное повышение плотностей токов автоэмиссии и деградационной стойкости (стабильности сильноточной автоэлектронной эмиссии при более продолжительном ресурсе работы).

Поставленная цель достигается тем, что способ повышения плотностей тока автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов, рабочие структуры которых, представляющие собой композиционные наноалмазографитовые пленки, синтезированы в плазме микроволнового газового разряда паров углеводородных веществ, например этанола, отличающийся тем, что для повышения плотностей токов автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмиссионный токоотбор осуществляют с торца полученной алмазографитовой пленочной структуры. Композиционные наноалмазографитовые пленочные структуры для сильноточных автоэмиссионных катодов, представляющих собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов, получают осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с толщиной менее 100 нм на тонкие теплопроводящие подложки (например, керамику, стекло и др.), а автоэмиссионный токоотбор осуществляют с торца полученной пленочной структуры.

В таких автокатодных пленочных структурах существенно улучшаются условия теплоотвода, так как отвод тепла от токового канала каждого эмиссионного центра осуществляется не в поперечное сечение тонкой пленочной структуры, обладающей повышенным сопротивлением, а в массивную подложку, на которой находится пленочный автокатод, за счет продольного транспорта носителей. В этом случае по сравнению с поперечным транспортом в традиционной планарной пленочной структуре улучшается адгезионная прочность за счет изменения направления воздействия пондеромоторных сил с поперечного на продольное относительно автоэмиссионной пленки, а также снижения их величин в результате снижения площади воздействия электростатического поля и уменьшается вероятность поперечного к пленке лавинного электрического пробоя. В результате обеспечивается повышение деградационной стойкости при существенно больших плотностях автоэмиссионных токов.

Для повышения общей величины автоэмиссионного тока катодную матрицу изготавливают в виде подложек, на которых алмазографитовые структуры осаждаются с обеих сторон. При этом они могут быть как одно-, так и многослойными с диэлектрической изоляцией между отдельными слоями в последнем случае. В дальнейшем из полученных таким образом структур может формироваться катодная матрица, в которой отдельные плоские элементы (подложки с осажденным нанокомпозитом) скрепляются между собой в пакет механически или с использованием клея.

Изготовленные торцевые автокатоды с наноалмазографитовыми пленочными структурами, полученными осаждением в неравновесной плазме СВЧ газового разряда в магнитном поле паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с толщиной менее 100 нм при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, плотность тока эмиссии составляла 1000 А/см2 и более, что в 50 и более раз превышает максимальную плотность тока, полученную в планарной структуре прототипа. При увеличении количества алмазографитовых слоев в торцевой катодной матрице общий токоотбор увеличивается пропорционально площади торцевых эмитирующих структур.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №767858, М. кл. Н01J 1/30, 1978.

2. Патент RU 1738013, МКИ Н01J 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.

Способ повышения плотностей тока автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов, рабочие структуры которых, представляющие собой композиционные наноалмазографитовые пленки, синтезированы в плазме микроволнового газового разряда паров углеводородных веществ, например этанола, отличающийся тем, что для повышения плотностей токов автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмиссионный токоотбор осуществляют с торца полученной алмазографитовой пленочной структуры.



 

Похожие патенты:

Фотоумножитель может быть использован для регистрации слабых световых сигналов в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике, в других различных технических приложениях, в том числе и для наблюдения крайне слабых световых сигналов.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции катодно-сеточных узлов (КСУ) с автоэмиссионными катодами из углеродного материала для вакуумных электронных приборов с микросекундным временем готовности.

Изобретение предназначено для осветительной техники и медицины. Преобразующий длину волны материал включает соединение формулы (Y1-w-x-y-zScwLaxGdyLuz)2-a(SO4)3:Mea, где Me - трехвалентный катион или смесь трехвалентных катионов, способных испускать УФ-C излучение, например, Pr3+, Nd3+ и Bi3+; каждый из w, x, y и z находится в диапазоне от 0,0 до 1,0; w+x+y+z≤1,0; 0,0005≤a≤0,2.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при изготовлении газоразрядных приборов, в частности холодных катодов моноблочных газовых лазеров.

Изобретение относится к области электронной техники. Способ изготовления эмиссионно-активного сплава катода для электровакуумных приборов СВЧ включает приготовление исходных компонентов сплава заданного соотношения на основе, по меньшей мере, двух компонентов, при этом одного из них - тугоплавкого металла, другого - щелочноземельного металла, соединение исходных компонентов сплава катода в инертной газовой среде посредством высокотемпературного плавления и последующей кристаллизации с обеспечением формирования заготовки сплава катода, при этом, по меньшей мере, двукратного повторения упомянутой технологической операции, обработку заготовки сплава катода с обеспечением ее заданного размера и формы.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах, в частности в магнетронах непрерывного или импульсного действия, работающих в широком диапазоне длин волн.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в электровакуумных приборах с микросекундным временем готовности.

Изобретение относится к структурам для автоэмиттеров. Изобретение обеспечивает значительное увеличение рабочих токов автокатода, повышение стойкости устройств к деградации и увеличение их рабочего ресурса.

Изобретение относится к фотокатодным узлам вакуумных высокочувствительных, термо- и радиационно-стойких приемников излучений и приемников изображений для спектрального диапазона 0,19-0,45 мкм.

Изобретение относится к области получения углеродных наноструктур, а именно слоев углеродных нанотрубок на металлических подложках, применяемых в качестве холодных катодов (автоэлектронных источников эмиссии).

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточных узлов (КСУ) с холодными катодами из углеродного материала для вакуумных электронных приборов. Технический результат - повышение равномерности автоэлектронной эмиссии в ячейках КСУ по всей поверхности катода и обеспечение надежного крепления „сэндвич-сетки" и катода. Способ изготовления катодно-сеточного узла с углеродным автоэмиссионным катодом включает формирование на рабочей поверхности катода матрицы микроострий, изготовление „сэндвич-сетки" со сквозными отверстиями, состоящей из формирующей и вытягивающей сеток, разделенных слоем диэлектрика, и закрепление „сэндвич-сетки" на поверхности катода. В качестве материала перемычек формирующей сетки использован металл переходной группы, что позволило осуществить соединение катода и „сэндвич-сетки" частичным погружением перемычек формирующей сетки в тело катода методом термохимического травления. Тем самым обеспечивается одинаковое расстояние от вершин микроострий до вытягивающей сетки во всех ячейках КСУ и, как следствие, равномерность автоэлектронной эмиссии в ячейках КСУ по всей поверхности катода. 2 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления холодных катодов гелий-неоновых лазеров и может быть использовано в газоразрядной технике и микроэлектронике. Способ включает в себя нагрев заготовок катода из алюминия в вакууме не ниже 10-5 мм рт.ст. и последующее термическое окисление ее поверхности, отличающийся тем, что заготовку катода из химически чистого алюминия нагревают в кислороде со скоростью 200°C/час до температуры, равной 300-350°C, выдерживают при данной температуре в течение 1,5 часа и затем охлаждают до комнатной температуры с той же скоростью. Указанный режим термического окисления обеспечивает получение приемлемой толщины окисного покрытия при минимально возможном количестве сквозных пор. Повышение срока службы холодного катода гелий-неонового лазера является техническим результатом изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к приборам вакуумной и твердотельной электроники, в частности к автоэмиссионным элементам на основе углеродных нанотрубок (УНТ), используемых в качестве катодов: к диодам, к триодам и к устройствам на их основе. Технический результат - повышение тока автоэмиссии и временной стабильности этой величины, уменьшение рабочих напряжений в приборах вакуумной микроэлектроники на основе углеродных нанотрубок и продление их срока службы. Автоэмиссионный элемент с катодами на основе углеродных нанотрубок включает полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован изолирующий слой, катодный узел, расположенный над изолирующим слоем, состоящий из токоведущего и контактного слоев и углеродных нанотрубок (УНТ), расположенных на поверхности контактного слоя, опорно-фокусирующую систему, состоящую из первого диэлектрического, затворного электропроводящего и второго диэлектрического слоев, расположенную на верхней поверхности катодного узла и содержащую сквозную полость, анодный токоведущий слой, расположенный на внешней поверхности второго диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы, в котором сформированы сквозные технологические отверстия. Углеродные нанотрубки расположены параллельно поверхности полупроводниковой подложки, на поверхность углеродных нанотрубок нанесен слой оксида гафния, снижающий работу выхода электронов с поверхности УНТ и защищающий поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов, снижения величины контактного сопротивления нанотрубка-подложка при отжиге сформированной структуры автоэмиссионного элемента. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх