RU159226U1

RU159226U1 - AUTO EMISSION CATHODE

Info

Publication number: RU159226U1
Application number: RU2015135108/07U
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Тингаев; Григорий Викторович Цепилов; Леонид Кузьмич Лыткин; Георгий Александрович Филатов
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-02-10

Abstract

Автоэмиссионный катод, содержащий подложку, металлический контактный электрод, алмазоподобную пленку, отличающийся тем, что катод выполнен из алмазоподобных кремнийуглеродных пленок, легированных металлами, выбранными из ряда: тантал, титан, ниобий, цирконий, причем металлы в плёнке образуют кристаллические частицы его карбида наноразмерной величины.A field emission cathode containing a substrate, a metal contact electrode, a diamond-like film, characterized in that the cathode is made of diamond-like silicon-carbon films doped with metals selected from the series: tantalum, titanium, niobium, zirconium, and the metals in the film form crystalline particles of its nanosized carbide .

Description

Настоящая полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники, в частности, к источникам получения электронного потока - автоэмиссионным катодам (АЭК), выбору материалов для изготовления катодов. Подобные катоды используют в качестве источников электронов в различных электронных приборах-усилительных и генераторных приборах высокочастотной электроники, рентгеновских трубках, электронных микроскопах, источниках света, дисплеях.This utility model relates to vacuum electronics devices, in particular, to sources of electron flow production - field emission cathodes (AEC), selection of materials for the manufacture of cathodes. Such cathodes are used as electron sources in various electronic devices, amplifying and generating devices of high-frequency electronics, X-ray tubes, electron microscopes, light sources, displays.

В настоящее время широко известны автоэмиссионные катоды на основе различных наноструктурированных материалов с различными способами их изготовления.At present, field emission cathodes based on various nanostructured materials with various methods for their manufacture are widely known.

Известен нановолоконный углеродный материал для холодных катодов (патент РФ 2288890, кл. H01J 1/30 C01B 31/02 B82B 3/00, опубликован 20.03.2005). Материал изготовленный по предложенному способу пригоден для изготовления автоэмиссионных катодов, однако изготовленные известными способами из этого материала катоды имеют недостаточную стабильность.Known nanofiber carbon material for cold cathodes (RF patent 2288890, CL H01J 1/30 C01B 31/02 B82B 3/00, published March 20, 2005). The material manufactured by the proposed method is suitable for the manufacture of field emission cathodes, however, the cathodes made by known methods from this material have insufficient stability.

Известен холодноэмиссионный пленочный катод и способ его получения (патент РФ 2194328, кл. H01J 1/30, 9/02 опубликован 10.12.2002). Такой катод получен методом газофазного синтеза, включающим зажигание тлеющего разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродсодержащей добавкой и осаждением углеродной пленки на, расположенную на аноде, подложку. При этом углеродные пленки осаждают последовательно, выдерживая соответствующие параметры температуры и давления. Такой катод позволяет добиться хорошей стабильности автоэлектронной эмиссии электронов, но метод его нанесения дорог и сложен, кроме того предусматривает разогрев подложки до высоких температур, что не всегда приемлемо.Known cold-emission film cathode and method for its production (RF patent 2194328, CL H01J 1/30, 9/02 published December 10, 2002). Such a cathode was obtained by gas-phase synthesis, which includes ignition of a DC glow discharge in a mixture of hydrogen with a carbon-containing additive and the deposition of a carbon film on a substrate located on the anode. In this case, carbon films are deposited sequentially, maintaining the corresponding temperature and pressure parameters. Such a cathode makes it possible to achieve good stability of field emission of electrons, but the method of applying it is expensive and complicated; moreover, it involves heating the substrate to high temperatures, which is not always acceptable.

Известен графеновый полевой эмиттер (катод) и способ его формирования (патент РФ 2400858, кл. H01J 1/30, 1/62, 9/00 опубликован 27.09.2010). Такой катод формируется литографическими методами из специально подготовленных графеновых слоев. Способ требует литографического оборудования высокого разрешения, а значит дорог, кроме того графен не всегда позволяет достичь оптимальных параметров эмиттера.Known graphene field emitter (cathode) and the method of its formation (RF patent 2400858, CL H01J 1/30, 1/62, 9/00 published 09/27/2010). Such a cathode is formed by lithographic methods from specially prepared graphene layers. The method requires high-resolution lithographic equipment, which means it is expensive, in addition, graphene does not always allow reaching the optimal parameters of the emitter.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионный катод (патент РФ 2504858, кл. H01J 1/30, H01J 9/02, B82B 3/00, опубликован 20.01.2014). Автоэмиссионный катод выполнен из металл-наноуглеродного композита, содержащего металл, выбранный из ряда: медь, аллюминий, магний, серебро, золото, цинк, кадмий и/или их сплавы, В качестве наноуглеродного материала содержит компонент из ряда: углеродные нанотрубки, углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены, причем рабочая поверхность катода предварительно подвергнута шлифованию до шероховатости 50-20 мкм, структурированию химическим травлением и активированию плазменной обработкой. Существенным недостатком такого катода является высокий порог эмиссии - от 4000 вольт.The closest in technical essence (prototype) is the field emission cathode (RF patent 2504858, class H01J 1/30, H01J 9/02, B82B 3/00, published January 20, 2014). The field emission cathode is made of a metal-nanocarbon composite containing a metal selected from the range: copper, aluminum, magnesium, silver, gold, zinc, cadmium and / or their alloys. As a nanocarbon material contains a component from the series: carbon nanotubes, carbon-nitrogen nanotubes, carbon nanofibres, fullerenes, moreover, the working surface of the cathode is preliminarily ground to a roughness of 50–20 μm, structured by chemical etching, and activated by plasma treatment. A significant drawback of such a cathode is a high emission threshold - from 4000 volts.

Задачей данной полезной модели является создание автоэмиссионных катодов с различными порогами эмиссии, позволяющих долговременно получить стабильный эмиссионный ток.The objective of this utility model is the creation of field emission cathodes with various emission thresholds, allowing long-term stable emission current.

Для решения поставленной задачи предлагается изготавливать автоэмиссионный катод из алмазоподобных кремнийуглеродных пленок (АКУП) легированных металлами [1, 2]. Металлосодержащие АКУЛ являются нанокомпозитами и обладают широким диапазоном проводимости. Структура пленок позволяет вводить в материал металлы в концентрациях до 50 ат. % (при сохранении аморфности и однофазности). Последовательное увеличение содержания металла в нанокомпозите меняет как концентрацию носителей заряда, так и механизм проводимости. АКУП без добавки металла является типичным диэлектриком, а при концентрациях металла выше 30-40 ат. % нанокомпозит обладает металлической проводимостью, по-прежнему сохраняя механические и химические свойства, присущие алмазоподобным пленкам. В переходной области концентраций металла наблюдаются полупроводниковые свойства. При использовании карбидообразующего металла, в нанокомпозите образуются кристаллические частицы его карбида.To solve this problem, it is proposed to fabricate a field emission cathode from diamond-like silicon-carbon films (AKUP) doped with metals [1, 2]. Metal-containing AKUL are nanocomposites and have a wide range of conductivity. The structure of the films allows metals to be introduced into the material at concentrations up to 50 at. % (while maintaining amorphous and single-phase). A sequential increase in the metal content in the nanocomposite changes both the concentration of charge carriers and the conduction mechanism. AKUP without a metal additive is a typical dielectric, and at metal concentrations above 30-40 at. % nanocomposite has metal conductivity, while still retaining the mechanical and chemical properties inherent in diamond-like films. In the transition region of metal concentrations, semiconductor properties are observed. When using a carbide-forming metal, crystalline particles of its carbide are formed in the nanocomposite.

Главным фактором, определяющим выбор легирующего металла, являющегося основой нанофазы нанокомпозитной пленки эмитирующей электроны, является величина работы выхода электрона с поверхности материала нанофазы. Материалом нанофазы является карбид металла, вводимого в состав нанокомпозита. Из перечня девяти металлов, имеющих наиболее стабильные карбиды (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W), выбраны четыре металла с разной работой выхода электрона из соответствующих им карбидов. Металлы, их карбиды и величина работы выхода указаны в таблице 1.The main factor determining the choice of alloying metal, which is the basis of the nanophase of a nanocomposite film emitting electrons, is the magnitude of the electron work function from the surface of the nanophase material. The nanophase material is metal carbide introduced into the composition of the nanocomposite. Four metals with different work function of the electron from the corresponding carbides are selected from the list of nine metals having the most stable carbides (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W). Metals, their carbides and the magnitude of the work function are shown in table 1.

Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.The essence of the utility model is illustrated by the attached figures.

Фиг. 1 схематично иллюстрирует устройство катода. Цифрой 1 обозначена ситаловая подложка, цифрой 2 - контактный металлический слой, цифрой 3 - алмазоподобная кремнийуглеродная пленка.FIG. 1 schematically illustrates a cathode arrangement. Numeral 1 denotes a ceramic glass substrate, numeral 2 indicates a contact metal layer, numeral 3 indicates a diamond-like silicon-carbon film.

На Фиг. 2 приведена вольтамперная характеристика автоэмиссионного катода легированного титаном при включении его по схеме вакуумного диода.In FIG. Figure 2 shows the current-voltage characteristic of the field emission cathode doped with titanium when it is turned on according to the scheme of a vacuum diode.

Пример реализации предлагаемого автоэмиссионного катода.An example implementation of the proposed field emission cathode.

Для получения заявляемого типа автоэмиссионного катода были изготовлены образцы автоэмиссионных катодов на основе АКУП легированных металлами, образующими карбиды. На ситаловые подложки магнетронным напылением наносился металлически слой из титана или нержавеющей стали, выполняющий роль электрического контакта. Далее, по технологии описанной в [1, 2] осаждались АКУП из плазмы паров полифенилметилсилоксана (ПФМС) марки ПФМС 2,5Л. Жидкий ПФМС, попадая через плазмотрон в вакуумную камеру, превращается в пар и затем в плазму под воздействием потока тепла и потока ускоренных электронов соответственно. Плазма, благодаря газодинамическим процессам, попадает на подложки где резко охлаждается, теряет электрический заряд и превращается в твердую пленку. Одновременно осуществляется легирование пленки металлом, путем магнетронного распыления соответствующей мишени магнетрона. Пленки, получаемые из ПФМС, обладают свойствами близкими к традиционным алмазоподобным пленкам, но во многом превосходят их. Высокая механическая и химическая стабильность алмазоподобных пленок обеспечивает долговременную стабильность эмиссии катода.To obtain the inventive type of field emission cathode, samples of field emission cathodes based on AKUP doped with metals forming carbides were manufactured. A metal layer of titanium or stainless steel, which acts as an electrical contact, was deposited on a ceramic substrate by magnetron sputtering. Further, according to the technology described in [1, 2], AKUP was deposited from the plasma of polyphenylmethylsiloxane (PFMS) vapors of the PFMS 2.5L grade. Liquid PFMS, entering through a plasma torch into a vacuum chamber, turns into steam and then into plasma under the influence of a heat flux and a stream of accelerated electrons, respectively. Due to gas-dynamic processes, plasma gets on substrates where it is rapidly cooled, loses its electric charge and turns into a solid film. At the same time, the film is doped with metal by magnetron sputtering of the corresponding magnetron target. Films obtained from PFMS possess properties similar to traditional diamond-like films, but in many ways surpass them. High mechanical and chemical stability of diamond-like films provides long-term stability of cathode emission.

Таким образом, получаются легированные кремнийуглеродные пленки с контролируемым размером частиц нанофазы карбида металла.Thus, doped silicon-carbon films with a controlled particle size of the metal carbide nanophase are obtained.

Исследование вольтамперных характеристик АЭК производилось в вакуумной камере при включении по схеме вакуумного диода с расстоянием катод-анод 10 мкм.The current-voltage characteristics of the AEC were studied in a vacuum chamber when a vacuum diode with a cathode-anode distance of 10 μm was turned on according to the scheme.

В таблице 2 приведены измеренные значения порогов эмиссии образцов АЭК в зависимости от легирующего металла.Table 2 shows the measured emission thresholds for AEC samples depending on the alloying metal.

Измерения показали, что образец катода, легированный титаном, обладает наименьшим значением напряжения порога эмиссии. Наиболее высоким напряжением порога эмиссии обладает образец катода легированный танталом. Высокое напряжение порога эмиссии образца катода легированного танталом может быть объяснено его самым высоким значением работы выхода электрона по отношению к другим образцам.The measurements showed that the cathode sample doped with titanium has the lowest emission threshold voltage. The tantalum doped cathode sample has the highest emission threshold voltage. The high voltage of the emission threshold of a cathode sample doped with tantalum can be explained by its highest value of the electron work function in relation to other samples.

Таким образом, предложенный автоэмиссионный катод позволяет создавать новый тип автоэмиссионных катодов из алмазоподобных пленок. Технический результат полезной модели - получение стабильных автоэмиссионных катодов с различными порогами эмиссии.Thus, the proposed field emission cathode allows you to create a new type of field emission cathodes from diamond-like films. The technical result of the utility model is the production of stable field emission cathodes with various emission thresholds.

Источники информацииInformation sources

1. М.Л. Шупегин, Осаждение пленок металлсодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей. «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», №2. 2013. Том 79. С. 28-32.1. M.L. Shupegin, The deposition of films of metal-containing nanocomposites with a silicon-carbon matrix. “Factory laboratory. Diagnostics of materials ”, No. 2. 2013.Vol. 79.S. 28-32.

2. Ю.В. Пархоменко, М.Д. Малинкович, Е.А. Скрылева, М.Л. Шупегин. Технология получение, структура и свойства металлсодержащих нанокомпозитов с кремний-углеродной матрицей. Изв. Вузов. Материалы электронной техники. 2005. №3. С. 12-16.2. Yu.V. Parkhomenko, M.D. Malinkovich, E.A. Skryleva, M.L. Shupegin. Production technology, structure and properties of metal-containing nanocomposites with a silicon-carbon matrix. Izv. Universities. Materials of electronic equipment. 2005. No3. S. 12-16.

Claims

A field emission cathode containing a substrate, a metal contact electrode, a diamond-like film, characterized in that the cathode is made of diamond-like silicon-carbon films doped with metals selected from the series: tantalum, titanium, niobium, zirconium, and the metals in the film form crystalline particles of its nanosized carbide .