RU171829U1 - Автоэмиссионный катод - Google Patents
Автоэмиссионный катод Download PDFInfo
- Publication number
- RU171829U1 RU171829U1 RU2016147111U RU2016147111U RU171829U1 RU 171829 U1 RU171829 U1 RU 171829U1 RU 2016147111 U RU2016147111 U RU 2016147111U RU 2016147111 U RU2016147111 U RU 2016147111U RU 171829 U1 RU171829 U1 RU 171829U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field emission
- cathode
- silicon carbide
- film
- emission cathode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники в частности к автоэмиттерам электронов, которые могут быть использованы при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники. Технический результат полезной модели - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой плотностью автоэмиссионного тока до 10 А/см. Результат достигнут использованием в качестве эмиттера электронов проводящего карбида кремния, на углеродной грани которого сформирован эмиссионный катод с многослойной графеновой пленкой. Для повышения эффективности на обратную сторону карбида кремния нанесена пленка никеля с подслоем титана. Полученный катод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 10 А/смпри приложенном напряжении до 10 В. 3 ил.
Description
Полезная модель относится к устройствам вакуумной электроники в частности к автоэмиттерам электронов, которые могут быть использованы при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники.
Известен автоэмиссионный катод с использованием в качестве эмиттера наноуглеродного композита, содержащего частицы металла, окруженные наноуглеродным материалом: углеродными нанотрубками (графеном), фуллереном, углеродными нановолокнами (автоэмиссионный катод патент RU 2504858 С2 опубликован 20.01.2014).
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие наноуглеродного материала, входящего в состав композита, из которого изготовлен автоэмиссионный катод.
Недостатком такого автоэмиссионного катода является большая трудоемкость его изготовления из-за необходимости проведения дополнительных технологических операций: шлифовка, полировка, плазменное травление, невысокая плотность эмиссионного тока и необходимость приложения между катодом и анодом высокого напряжения (более 7 кВ).
Известен автоэмиссионный пленочный катод, содержащий в качестве эмиттера углеродную эмиссионную пленку с множеством излучающих кластеров в форме звезды, каждая из которых состоит из углеродных кластеров и дендритов с графеновыми листами, имеющими радиус кривизны менее 10 нм, длину 50-400 нм и высоту около 100 нм. При этом грани дендритов ориентированы от плоскости эмиссионной пленки (Патент US 6087765 от 11.07.2000).
Существенным общим признаком этого автоэмиссионного пленочного катода с заявляемой полезной моделью является наличие углеродной пленки.
Недостатком этого автоэмиссионного катода является неоднородность эмиссии электронов по поверхности катода из-за разброса размеров, высоты и хаотичности размещения кластеров и дендритов. Это приводит к неоднородности распределения напряженности поля между катодом и анодом, нестабильности эмиссионного тока и ускоренной деградации катода при высокой плотности тока.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является автоэмиссионный пленочный катод и способ изготовления (Патент РФ 2194328 опубликован 10.12.2002), содержащий подложку с нанесенной на нее двуслойной углеродной пленкой. Первый слой углеродной пленки состоит из нерегулярных микро- и наноребер, расположенных перпендикулярно к поверхности подложки. Второй слой состоит из наноалмазной пленки толщиной 0,1-0,5 мкм.
Существенным признаком общим с заявляемой полезной моделью является наличие углеродной пленки, а также подложка (в заявляемой полезной модели - токопроводящее основание).
Недостатком автоэмиссионного катода является невысокая плотность эмиссионного тока (0,5 А/см2), недостаточная прочность и адгезия углеродной пленки к подложке, неоднородное распределение эмиссионных центров по подложке и разная высота эмиттеров. Это приводит к нестабильности эмиссии электронов и разрушению катода на участках его поверхности с наибольшей высотой микро- и наноребер.
Техническим результатом, на который направлена заявляемая полезная модель, является создание работающего при низком приложенном напряжении автоэмиссионного катода с плотностью эмиссии более 0,5 А/см2, который может быть использован при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники и ряде других приложений.
Технический результат достигается тем, что автоэмиссионный катод выполнен в форме острия на углеродной грани карбида кремния, на поверхность которого нанесена наноуглеродная пленка, состоящая из 3-10 слоев графена, а на кремниевую нижнюю грань карбида кремния нанесена пленка никеля толщиной 0,4-0,6 мкм с подслоем титана толщиной 10-20 нм, расположенный на токопроводящем основании, радиус закругления острия катода составляет 5-40 нм, высота - 0,1-1 мкм и полуугол раствора конуса острия - 10-30°, катод сформирован из проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 1018 см-3.
Для достижения технического результата автоэмиссионный катод содержит углеродную пленку и токопроводящее основание, выполнен в форме острия на углеродной грани карбида кремния, на поверхность которого нанесена наноуглеродная пленка, состоящая из 3-10 слоев графена, а на кремниевую нижнюю грань карбида кремния нанесена пленка никеля толщиной 0,4-0,6 мкм с подслоем титана толщиной 10-20 нм, расположенный на токопроводящем основании, радиус закругления острия катода составляет 5-40 нм, высота - 0,1-1 мкм и полуугол раствора конуса острия - 10-30 градусов, катод сформирован из проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 1018 см-3.
Сущность полезной модели поясняется прилагаемыми фигурами.
Фиг. 1 Схематично иллюстрирует устройство эмиссионного катода, где 1 - острие; 2 - наноуглеродная пленка; 3 - карбид кремния; 4 - пленка никеля с подслоем титана; 5 - токопроводящее основание.
Фиг. 2 Электронно-микроскопическое изображение автоэмиссионного катода, где 1 - острие; 3 - карбид кремния.
Фиг. 3 Экспериментальная вольт-амперная характеристика автоэмиссионного катода.
Работа устройства заключается в следующем. При нахождении автоэмиссионного катода (Фиг. 1) в электрическом поле он начинает эмитировать электроны сквозь потенциальный барьер путем туннелирования. Автоэмиссионный катод благодаря локализации поля на его острие (1) с радиусом закругления 5-40 нм, высотой 0,1-1 мкм и полууголом раствора конуса 10-30° (Фиг. 2), с нанесенной на углеродную грань карбида кремния (3) наноуглеродной пленкой (2), состоящей из 3-10 слоев графена, снижающей работу выхода электрона до 1 эВ и менее, позволяет получать эмиссию электронов достаточной плотности при напряжениях до 10 В (Фиг. 3). Пленка никеля (4) с подслоем титана выполняет функцию низкоомного контакта к токопроводящему основанию (5).
Как видно из результатов измерений, технический результат полезной модели - стабильный автоэмиссионный катод с плотностью тока до ~10 А/см2 при радиусе закругления 40 нм и напряжении в пределах 10 В. Это открывает новые возможности для вакуумной эмиссионной электроники, поскольку величина электрического поля и размеры эмиссионных центров становятся соизмеримыми с современными достижениями микро- и наноэлектроники в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем.
Для решения поставленной задачи предлагается изготавливать автоэмиссионный катод в форме острия на углеродной грани проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 1018 см-3. Выбор карбида кремния в качестве исходного материала эмиттера обусловлен тем, что карбид кремния обладает высокой теплопроводностью, стоек при высоких температурах, химически инертен. На его поверхности можно получить при термической деструкции графеновые пленки различной толщины. Выбор концентрации примеси более 1018 см-3 обусловлен минимальным объемным сопротивлением материала, которое необходимо для получения высоких плотностей автоэмиссионного тока. Выбор углеродной грани SiC обусловлен тем, что на этой грани можно получить многослойную качественную графеновую пленку толщиной 3-10 слоев, содержащих минимальное количество структурных дефектов. Это позволяет выполнять технологические операции получения топологического рисунка, улучшить прочностные характеристики графеновой пленки при выполнении дальнейших технологических операций. На кремниевой грани SiC [0001] затруднительно получить графеновую пленку толщиной более одного-двух слоев. При этом графеновая пленка на этой грани содержит большое количество структурных дефектов, что отрицательно сказывается на эмиссионных характеристиках катода.
Выбор радиуса закругления острия катода 5-40 нм и полуугла раствора конуса 10-30 градусов обусловлен тем, что автокатод при этих параметрах имеет наибольший коэффициент усиления поля. Выбор высоты автоэмиссионного катода в пределах 0,1-1 мкм связан с необходимостью снижения его трудоемкости при его изготовлении фокусированным ионным пучком, минимальным тепловым сопротивлением и наибольшей устойчивостью к разрушению при высоких плотностях тока.
Никель толщиной 0,4-0,6 мкм наносится на кремниевую грань 6H-SiC [0001] для обеспечения низкоомного контакта с проводящим основанием катода. Подслой титана толщиной 10-20 нм обеспечивает хорошую адгезию никеля к SiC. Установлено, что толщина никеля 0,4-0,6 мкм с подслоем титана 10-20 нм обеспечивают наилучшее качество эмиссионного катода из-за низкого переходного сопротивления карбида кремния к проводящему основанию.
Технико-экономические преимущества предлагаемой полезной модели перед известными заключаются в следующем. Благодаря высокой теплопроводности, температурной стойкости и проводимости карбида кремния, высокой прочности, проводимости, наноразмерности и адгезии графеновой пленки к карбиду кремния, нанометровым размерам острия автоэмиссионного катода предлагаемая полезная модель имеет более стабильные параметры эмиссионного тока по сравнению с известными. Все это, в целом, позволяет повысить плотность тока эмиссии до 10 А/см2, расширить возможности применения автоэмиссионного катода при создании полевых эмиссионных диодов, автоэмиссионных дисплеев, усилителей и генераторов СВЧ электроники.
Claims (3)
1. Автоэмиссионный катод, содержащий углеродную пленку и токопроводящее основание, отличающийся тем, что катод выполнен в форме острия на углеродной грани карбида кремния, на поверхность которого нанесена наноуглеродная пленка, состоящая из 3-10 слоев графена, а на кремниевую нижнюю грань карбида кремния нанесена пленка никеля толщиной 0,4-0,6 мкм с подслоем титана толщиной 10-20 нм, расположенный на токопроводящем основании.
2. Автоэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что радиус закругления острия катода составляет 5-40 нм, высота - 0,1-1 мкм и полуугол раствора конуса острия - 10-30°.
3. Автоэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что катод сформирован из проводящего карбида кремния с концентрацией примеси более 1018 см-3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147111U RU171829U1 (ru) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Автоэмиссионный катод |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147111U RU171829U1 (ru) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Автоэмиссионный катод |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU171829U1 true RU171829U1 (ru) | 2017-06-19 |
Family
ID=59068730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016147111U RU171829U1 (ru) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Автоэмиссионный катод |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU171829U1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU181863U1 (ru) * | 2017-12-01 | 2018-07-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Автоэмиссионный пленочный диод |
WO2019075113A1 (en) | 2017-10-10 | 2019-04-18 | Kla-Tencor Corporation | SILICON ELECTRON EMITTING STRUCTURES |
RU205789U1 (ru) * | 2020-12-18 | 2021-08-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Автоэмиссионная ячейка на основе наноразмерного углеродного материала |
RU221572U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-11-13 | Артем Иванович Ковалец | Полевой эмиссионный катод концентрического типа |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504858C2 (ru) * | 2011-07-07 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Автоэмиссионный катод |
US20140159566A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Field emission cathode device and field emission equipment using the same |
-
2016
- 2016-11-30 RU RU2016147111U patent/RU171829U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2504858C2 (ru) * | 2011-07-07 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Автоэмиссионный катод |
US20140159566A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Field emission cathode device and field emission equipment using the same |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019075113A1 (en) | 2017-10-10 | 2019-04-18 | Kla-Tencor Corporation | SILICON ELECTRON EMITTING STRUCTURES |
EP3695277A4 (en) * | 2017-10-10 | 2021-11-03 | Kla-Tencor Corporation | SILICON ELECTRON EMITTER DESIGNS |
RU181863U1 (ru) * | 2017-12-01 | 2018-07-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Автоэмиссионный пленочный диод |
RU205789U1 (ru) * | 2020-12-18 | 2021-08-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Автоэмиссионная ячейка на основе наноразмерного углеродного материала |
RU221572U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-11-13 | Артем Иванович Ковалец | Полевой эмиссионный катод концентрического типа |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7893605B2 (en) | Back-gated field emission electron source | |
RU171829U1 (ru) | Автоэмиссионный катод | |
WO2018040791A1 (zh) | 一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法 | |
KR19990043770A (ko) | 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법 | |
Viskadouros et al. | Electron field emission from graphene oxide wrinkles | |
JP4975005B2 (ja) | 先端上の触媒粒子 | |
JP2000215788A (ja) | カ―ボン材料とその製造方法、及びそれを用いた電界放出型冷陰極 | |
Kang et al. | Effect of sp 2 content and tip treatment on the field emission of micropatterned pyramidal diamond tips | |
Navitski et al. | Efficient field emission from structured gold nanowire cathodes | |
JP2006294387A (ja) | ナノカーボンエミッタ及びその製造方法 | |
RU2588611C1 (ru) | Способ повышения плотностей тока автоэмиссии и деградационной стойкости автоэмисионных катодов | |
JP2002093305A (ja) | 電子放出陰極 | |
Minh et al. | Selective growth of carbon nanotubes on Si microfabricated tips and application for electron field emitters | |
RU2590897C1 (ru) | Автоэмиссионный элемент с катодами на основе углеродных нанотрубок и способ его изготовления | |
RU181863U1 (ru) | Автоэмиссионный пленочный диод | |
Chakraborty et al. | Controlled clustering in metal nanorod arrays leads to strongly enhanced field emission characteristics | |
RU2504858C2 (ru) | Автоэмиссионный катод | |
RU2579777C1 (ru) | Прибор на основе углеродосодержащих холодных катодов, расположенных на полупроводниковой подложке, и способ его изготовления | |
RU2692240C1 (ru) | Способ уменьшения порогов начала автоэмиссии, повышения плотности автоэмиссионных токов и деградационной стойкости сильноточных многоострийных автоэмиссионных катодов | |
Wisitsora-At et al. | High current diamond field emission diode | |
RU221572U1 (ru) | Полевой эмиссионный катод концентрического типа | |
RU2654522C1 (ru) | Способ повышения плотности тока и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов на кремниевых пластинах | |
KR101436948B1 (ko) | 탄소나노튜브 구조체를 이용한 전계방출장치 | |
RU205789U1 (ru) | Автоэмиссионная ячейка на основе наноразмерного углеродного материала | |
RU2813858C1 (ru) | Способ повышения эффективности многоострийных автоэмиссионных катодов |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20171201 |