Результат интеллектуальной деятельности: 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 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.