RU2094891C1 - Material for cathode - Google Patents
Material for cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2094891C1 RU2094891C1 RU95102227A RU95102227A RU2094891C1 RU 2094891 C1 RU2094891 C1 RU 2094891C1 RU 95102227 A RU95102227 A RU 95102227A RU 95102227 A RU95102227 A RU 95102227A RU 2094891 C1 RU2094891 C1 RU 2094891C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrogen
- films
- carbon
- film
- enriched
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике, в частности, к электровакуумному приборостроению, и может быть использовано для изготовления холодных катодов. The invention relates to electronic equipment, in particular, to electronic vacuum instrumentation, and can be used for the manufacture of cold cathodes.
Известен материал для холодных катодов на основе углерода карбиды металлов V группы [1] Недостатком известного материала является сложность технологии получения, требующей высоких (до 2500oC) температур и дорогостоящих материалов для ее осуществления. Кроме того, известный материал имеет сравнительно низкую эффективность и ограниченное применение.Known material for cold cathodes based on carbon carbides of metals of group V [1] A disadvantage of the known material is the complexity of the production technology, requiring high (up to 2500 o C) temperatures and expensive materials for its implementation. In addition, the known material has a relatively low efficiency and limited use.
Известно использование углеродного волокна в качестве материала для автоэмиссионных катодов [2] Недостатком известного материала является необходимость нагрева дужки-держателя, на которой закрепляется собственно катод из углеродного волокна. It is known to use carbon fiber as a material for field emission cathodes [2] A disadvantage of the known material is the need to heat the holder arm, on which the carbon fiber cathode itself is fixed.
Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является известный материал для холодного катода на основе углерода алмазная поликристаллическая пленка, полученная методом плазмохимического осаждения [3] Известный катод из материала на основе углерода характеризуется устойчивой работоспособностью в вакууме 10-7 10-8 мм рт.ст. Недостатком известного материала является его относительная сложность получения, требующая высоких температур, и сравнительно невысокая электронно-лучевая яркость.Closest to the invention in its technical essence is a known material for a cold carbon-based cathode, a polycrystalline diamond film obtained by plasma-chemical deposition [3] The known cathode of a carbon-based material is characterized by stable performance in a vacuum of 10 -7 10 -8 mm Hg . A disadvantage of the known material is its relative complexity of obtaining, requiring high temperatures, and a relatively low electron beam brightness.
Изобретение направлено на расширение номенклатуры материалов, используемых для изготовления холодных катодов, упрощение технологии изготовления и повышение электронно-лучевой яркости. The invention is aimed at expanding the range of materials used for the manufacture of cold cathodes, simplifying manufacturing techniques and increasing electron beam brightness.
Указанный результат достигается тем, что в качестве материала для холодного катода применяется обогащенная азотом углеродная пленка, получаемая плазменным осаждением. This result is achieved in that a nitrogen film enriched with nitrogen obtained by plasma deposition is used as the material for the cold cathode.
Пленки на основе углерода, обогащенные азотом, получают различными методами, являющимися вариантами плазменного осаждения, например, методом распыления углеродных мишеней в азотсодержащей плазме (Sjostzom H, Ivanov I.et al. Reactive Magnetzon Sputtez. Deposition of Amozphous C:N Films on Si (001) Substzates; Gowth, Stzuctuze and Mechanical Pzopezties Abstz. 9th Jnt. Conf. on Thin Tilms No 140, Vienna, Austzca Sept. 6-10, 1993) или методом ионного синтеза из углеродных и азотных пучков, образующих плазму (Tujimoto T. Ogata K. Formation of Cazbon Nitzide Tilms bu Means of Zon Assustead Dynamic Mixing (IVD) Method Lap L. Appl. Phus 1993, V. 32 Pt.2, No 3B. P.L 420 L 423). Nitrogen-enriched carbon-based films are produced by various methods that are plasma deposition options, for example, by sputtering carbon targets in a nitrogen-containing plasma (Sjostzom H, Ivanov I.et al. Reactive Magnetzon Sputtez. Deposition of Amozphous C: N Films on Si ( 001) Substzates; Gowth, Stzuctuze and Mechanical Pzopezties Abstz. 9th Jnt. Conf. On Thin Tilms No. 140, Vienna, Austzca Sept. 6-10, 1993) or by ion synthesis from carbon and nitrogen beams forming a plasma (Tujimoto T. Ogata K. Formation of Cazbon Nitzide Tilms bu Means of Zon Assustead Dynamic Mixing (IVD) Method Lap L. Appl. Phus 1993, V. 32 Pt. 2, No. 3B. PL 420 L 423).
Исходя из изучения свойств полученных пленок и их структуры, невозможно было предвидеть, что указанный материал можно использовать для изготовления холодных катодов. Based on the study of the properties of the obtained films and their structure, it was impossible to predict that this material can be used for the manufacture of cold cathodes.
Как показали проведенные исследования, в качестве материала для изготовления холодного катода пригодны пленки на основе углерода, насыщенные азотом, полученные различными методами плазменного осаждения. Углерод в получаемых плазменным осаждением пленках находится либо в поликристаллическом состоянии (алмазные пленки) или в аморфном (алмазоподобные пленки). И в том, и в другом случае, как показали опыты, наличие атомов азота обеспечивает высокую автоэлектронную эмиссию. Проведенные исследования полученных пленок показали, что только часть азота в них находится в связанном ковалентной связью состоянии, а часть оказывается просто захваченной. При этом в экспериментах с аморфными углеродными пленками установлено, что чем больше содержание азота в пленке (захваченного и/или связанного), тем выше плотность тока автоэлектронной эмиссии при прочих равных условиях, поэтому можно утверждать, что в качестве материала катода применяется пленка, обогащенная азотом. As the studies showed, carbon-based films saturated with nitrogen obtained by various plasma deposition methods are suitable as a material for the manufacture of a cold cathode. The carbon in the films produced by plasma deposition is either in a polycrystalline state (diamond films) or in an amorphous state (diamond-like films). In both cases, experiments have shown that the presence of nitrogen atoms provides high field emission. The studies of the obtained films showed that only part of the nitrogen in them is in a covalently bonded state, and part is simply captured. Moreover, in experiments with amorphous carbon films it was found that the higher the nitrogen content in the film (trapped and / or bound), the higher the field density of field emission, ceteris paribus, it can therefore be argued that a film enriched with nitrogen is used as the cathode material .
Поскольку эффект напрямую связан с присутствием азота, то даже его небольшое количество в полученном материале на несколько порядков повышает эмиссию по сравнению, например, с алмазоподобными углеродными пленками, и, учитывая, что в настоящее время удалось внести в углеродную пленку только до 40 ат. азота, указать граничное содержание компонентов в материале не представляется возможным. Since the effect is directly related to the presence of nitrogen, even a small amount of it in the resulting material increases emission by several orders of magnitude compared, for example, with diamond-like carbon films, and, given that it has now been possible to introduce only up to 40 at. nitrogen, indicate the boundary content of the components in the material is not possible.
На фиг. 1 показана принципиальная схема получения пленок методом магнетронного распыления; на фиг. 2 принципиальная схема получения пленок методом лазерного распыления; на фиг. 3 схема проведения экспериментов по определению интегральный эмиссионной способности полученных пленок. In FIG. 1 shows a schematic diagram of the production of films by magnetron sputtering; in FIG. 2 schematic diagram of the production of films by laser spraying; in FIG. 3 is a diagram of experiments to determine the integral emissivity of the obtained films.
Пленки на основе углерода, обогащенные азотом, получали несколькими методами плазменного осаждения. Nitrogen enriched carbon based films were prepared by several plasma deposition methods.
Пример 1. Магнетронное распыление углерода. Принципиальная схема осуществления метода представлена на фиг. 1, где показаны 1 подложка из кремния, на которую напылялась пленка; 2 металлическая сетка; 3 - стеклоуглеродная мишень; 4 электрод. Для его реализации использовали стандартную вакуумную напылительную установку ВУП-5, оснащенную приставкой магнетронного напыления. В процессе распыления стеклоуглеродной мишени 3 в азотной плазме магнетронным разрядом между сеткой 2 и подложкой 1 зажигали тлеющий разряд, в результате поток частиц углерода из магнетрона на подложку совмещался с бомбардировкой растущей пленки потоком ионов азота, что позволило значительно увеличить содержание азота в осаждаемых пленках. Получение пленок осуществлялось в следующих условиях. Давление проточного азота в камере составляло 50 100 мТорр, отрицательное смещение на подложке 100 500 B, ток тлеющего разряда порядка 1 2 мА. Скорость роста пленок составила 0,2 0,4 мкм/ч, время их осаждения 30 60 мин, диаметр зоны осаждения 5 7 см. Температура подложек, нагреваемых только плазмой, составляла 70-200oC. В качестве подложек использовали стандартные полированные кремниевые пластины КДБ-40 ориентации (001). Полученные пленки исследовали методами рентгеновской дифрактометрии (РДФ), оже-электронной спектроскопии (ОЭС), рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС), лазерной микроспектрометрии комбинационного рассеяния (ЛМПКР).Example 1. Magnetron sputtering of carbon. A schematic diagram of the method is presented in FIG. 1, which shows 1 silicon substrate on which the film was sprayed; 2 metal mesh; 3 - glassy carbon target; 4 electrode. For its implementation, the VUP-5 standard vacuum spraying unit equipped with a magnetron sputtering attachment was used. During the sputtering of the
Метод РДА показал, что полученные указанным методом пленки имеют аморфную структуру. Методом ОЭС были идентифицированы углерод и азот в качестве двух основных матричных элементов. Методом РЭС было установлено, что содержание азота в объеме пленки составило от 20 до 22 ат. а в поверхностном слое до 38 ат. Сопоставление пиков на РЭС-диаграммах полученных пленок и нитридов кремния и бора позволяет сделать вывод, что основная часть атомов азота химически связана с углеродом, а некоторая часть "захвачена" пленкой в процессе роста. The XRD method showed that the films obtained by this method have an amorphous structure. Using the OES method, carbon and nitrogen were identified as the two main matrix elements. By the X-ray diffraction method it was found that the nitrogen content in the film volume was from 20 to 22 at. and in the surface layer up to 38 at. A comparison of the peaks in the X-ray diffraction diagrams of the obtained films and silicon and boron nitrides allows us to conclude that most of the nitrogen atoms are chemically bonded to carbon, and some part is “captured” by the film during growth.
Полученные спектры ЛМКР пленок оказались типичными для аморфного алмазоподобного углерода. The obtained LCRM spectra of the films turned out to be typical of amorphous diamond-like carbon.
Пример 2. Лазерное распыление углерода в азотной атмосфере. Принципиальная схема осуществления метода представлена на фиг. 2, где показаны: 1 подложка; 2 вращающаяся мишень из стеклоуглерода; 3 факел плазмы; 4 лазерное излучение. Example 2. Laser atomization of carbon in a nitrogen atmosphere. A schematic diagram of the method is presented in FIG. 2, where are shown: 1 substrate; 2 rotating carbon glass target; 3 plasma torch; 4 laser radiation.
Метод осуществлялся следующим образом. Излучение 4 импульсно-периодического CO2-лазера с энергией в импульсе E 0,6 Дж фокусировали на поверхность вращающейся мишени 2 из стеклоуглерода в пятно диаметром 500 мкм с помощью линзы из NaCe (не показана) с фокусным расстоянием 10 см. Мишень и подложку размещали в вакуумную камеру, откачивали до давления 1,33 мПа, а затем заполняли чистым азотом до P 50 100 мТорр. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности мишени составляла 300 500 МВт/см2 при длительности импульса 100 мкс и частоте повторения импульсов 2 10 Гц. Расстояние между мишенью 2 и холодной подложкой 3 составляло 2 5 см. В качестве подложек использовали пластины оплавленного кварца или кремния КДБ-40. Состав полученных пленок исследовали с помощью ОЭС и РЭС. Содержание азота оказалось на уровне нескольких атомных процентов.The method was carried out as follows. The radiation of a 4 pulsed periodic CO 2 laser with an energy per pulse E 0.6 J was focused on the surface of a rotating
Пример 3. Получение пленок углерода в плазменной струе. Способ реализован на безэлектродном плазменном плазматроне ВГУ-4. Эксперименты проводились при мощности Nan 20 26 кВт и давлении в барокамере P 0,026 атм. В высокоэнтальпийную воздушную струю с расходом 130 л/мин в области взаимодействия струи и подложки вдувались метан в количестве 0,5 0,6 л/мин и азот в количестве 0,8 0,9 л/мин. Подложки диаметром 34 мм, изготовленные из стали IXI8HIOT, закреплялись на водоохлаждаемом подложкодержателе.Example 3. Obtaining carbon films in a plasma jet. The method is implemented on an electrodeless plasma plasmatron VSU-4. The experiments were carried out at a power of N an 20 26 kW and a pressure in the pressure chamber P 0,026 atm. In a highly enthalpy air stream with a flow rate of 130 l / min, methane in an amount of 0.5 0.6 l / min and nitrogen in an amount of 0.8 0.9 l / min were blown into the area of interaction between the jet and the substrate. Substrates with a diameter of 34 mm made of IXI8HIOT steel were fixed on a water-cooled substrate holder.
Исследование полученных пленок показало, что они представляют собой поликристаллический углерод со структурной алмаза, содержащим 0,5 1,5 ат. азота. The study of the obtained films showed that they are polycrystalline carbon with a structural diamond containing 0.5 to 1.5 at. nitrogen.
Для определения возможности использования полученных различными методами плазменного осаждения пленок на основе углерода, обогащенных азотом, в качестве материала холодного катода были проведены соответствующие эксперименты. In order to determine the feasibility of using films based on carbon-based plasma deposition of films enriched with nitrogen as the material of a cold cathode, corresponding experiments were performed.
Пример 4. Исследование эмиссионной способности методом локального зондирования. Зонды с радиусом закругления острия 30 мкм устанавливались на расстоянии 10, 20, 35 и 100 мкм соответственно от поверхности образца. Точность установки зондов 5 мкм. Example 4. The study of emissivity by local sounding. Probes with a radius of curvature of the tip of 30 μm were installed at a distance of 10, 20, 35, and 100 μm, respectively, from the surface of the sample. The accuracy of the installation of probes is 5 microns.
Эмиссионная способность пленок проверялась с помощью подачи напряжения между зондом и образцом в пределах U 0 2000 B по возникновению в электрической цепи токов более 0,5 1,0 нА (плотности токов на поверхности образца 1 10 мА/см2 согласно проведенным оценкам).The emissivity of the films was checked by applying a voltage between the probe and the sample within U 0 2000 V by the appearance of currents in the electric circuit of more than 0.5 1.0 nA (current density on the surface of the sample is 1 10 mA / cm 2 according to the estimates).
Средняя напряженность внешнего электрического поля в области протекания эмиссионного тока определялась по формуле
Eвн (U/d)(1+x)(3,14x/tg(3,14x)), (1)
где
x=d/r;
d расстояние от зонда до поверхности образца;
r радиус закругления острия зонда.The average external electric field strength in the area of the emission current flow was determined by the formula
E int (U / d) (1 + x) (3,14 x / tg (3,14 x )), (1)
Where
x = d / r;
d is the distance from the probe to the surface of the sample;
r radius of curvature of the tip of the probe.
В соответствии с приведенной формулой (1), поверхностные поля задавались в пределах 0 2•106 B/см.In accordance with the above formula (1), the surface fields were specified in the range 0 2 • 10 6 B / cm.
Результаты исследований представлены в таблице. The research results are presented in the table.
Из приведенных данных видно, что величина эмиссии зависит от содержания азота в углеродной пленке независимо от того, является ли она поликристаллической или аморфной. При этом, как следует из результатов экспериментов, эффект у аморфных пленок, обогащенных азотом, намного выше, чем у пленок, в которых азот отсутствует. It can be seen from the data that the emission value depends on the nitrogen content in the carbon film, regardless of whether it is polycrystalline or amorphous. Moreover, as follows from the experimental results, the effect in amorphous films enriched with nitrogen is much higher than in films in which nitrogen is absent.
Пример 5. Исследование интегральной эмиссионной способности пленок. Исследования проводились на специально созданной для этого установке, принципиальная схема которой представлена на фиг. 3, где 1 стеклянная подложка; 2 слой люминофора; 3 полиамидная пленка; 4 образец с исследуемой углеродной пленкой; 5 пружина. Example 5. The study of the integral emissivity of the films. The studies were conducted on a specially designed installation for this, the circuit diagram of which is presented in FIG. 3, where 1 glass substrate; 2 layer of phosphor; 3 polyamide film; 4 sample with the studied carbon film; 5 spring.
Исследование осуществлялись следующим образом. The study was carried out as follows.
На образец 4 с углеродной пленкой накладывается кольцеобразная полиамидная пленка 3 толщиной 40 мкм, обеспечивающая зазор межу углеродной пленкой и экраном, выполненным из стеклянной подложки 1, и слоя люминофора 2. Отверстие в полиамидной пленке обеспечивает возможность взаимодействия эмитированных электронов со слоем люминофора. Образец поджимается вместе с пленкой к экрану с помощью пружины 5, являющейся одновременно и токоподводом. Собранное устройство помещается в рабочую камеру (не показана), которая вакуумируется, и между экраном и образцом прикладывается электрическое смещение. Под воздействием электрического смещения электроны эмитируются с поверхности исследуемой углеродной пленки, и пролетая в отверстие в полиамидной пленке, бомбардируют слой люминофора на экране, вызывая его свечение, которое визуально наблюдается через смотровое окно рабочей камеры. An
Проведенные качественные сравнительные испытания лучших с точки зрения эмиссионных свойств нанокристаллических алмазных пленок без азота и атмосферных пленок, обогащенных азотом, показали, что пленки, содержащие азот, дают более яркое и стабильное свечение. High-quality comparative tests of the best in terms of emission properties of nitrogen-free nanocrystalline diamond films and atmospheric films enriched with nitrogen showed that films containing nitrogen give a brighter and more stable glow.
Таким образом, на основании проведенных технологических экспериментов и исследования полученных пленок можно сделать следующие выводы:
1. Углеродные пленки, обогащенные азотом, обладают более высокими эмиссионными способностями, чем пленки не содержащие азота;
2. Эмиссионными способностями обладают только пленки, полученные различными методами плазменного осаждения;
3. Эмиссионными способностями обладают как алмазные поликристаллические, так и аморфные алмазоподобные пленки, обогащенные азотом;
4. Величина эмиссии обогащенных азотом углеродных пленок зависит от его количества в пленке независимо от того, является азот химически связанным или "захваченным";
5. Эмиссионная способность аморфных пленок, обогащенных азотом, выше чем поликристаллических с таким же содержанием азота.Thus, on the basis of technological experiments and studies of the obtained films, the following conclusions can be drawn:
1. Carbon films enriched with nitrogen have higher emission abilities than films without nitrogen;
2. Only films obtained by various plasma deposition methods possess emission abilities;
3. Both polycrystalline diamond and amorphous diamond-like films enriched with nitrogen possess emission abilities;
4. The emission of nitrogen-rich carbon films depends on its amount in the film, regardless of whether the nitrogen is chemically bonded or "captured";
5. Emissivity of amorphous films enriched with nitrogen is higher than polycrystalline with the same nitrogen content.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95102227A RU2094891C1 (en) | 1995-02-17 | 1995-02-17 | Material for cathode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95102227A RU2094891C1 (en) | 1995-02-17 | 1995-02-17 | Material for cathode |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2094891C1 true RU2094891C1 (en) | 1997-10-27 |
Family
ID=20164858
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95102227A RU2094891C1 (en) | 1995-02-17 | 1995-02-17 | Material for cathode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2094891C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998059355A2 (en) * | 1997-06-24 | 1998-12-30 | Ooo 'vysokie Tekhnologii' Mgu Niiyaf | Cold cathode and methods for producing the same |
-
1995
- 1995-02-17 RU RU95102227A patent/RU2094891C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. SU, авторское свидетельство, 1051611, кл. H 01 J 1/30, 1983. 2. RU, патент, 2004028, кл. H 01 J 1/30, 1993. 3. EP, патент, 0555076, кл. H 01 J 1/30, 1993. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998059355A2 (en) * | 1997-06-24 | 1998-12-30 | Ooo 'vysokie Tekhnologii' Mgu Niiyaf | Cold cathode and methods for producing the same |
WO1998059355A3 (en) * | 1997-06-24 | 1999-06-10 | Nikolai Nikolaevich Dzbanovsky | Cold cathode and methods for producing the same |
US6593683B1 (en) | 1997-06-24 | 2003-07-15 | Obschestvo s ogranichennoy otvetstvennostyu “Vysokie Tekhnologii” | Cold cathode and methods for producing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5458754A (en) | Plasma enhancement apparatus and method for physical vapor deposition | |
US7118630B1 (en) | Apparatus for depositing a low work function material | |
US4919968A (en) | Method and apparatus for vacuum vapor deposition | |
US6181055B1 (en) | Multilayer carbon-based field emission electron device for high current density applications | |
US6235615B1 (en) | Generation of low work function, stable compound thin films by laser ablation | |
KR20000048547A (en) | Method and device to produce a heat insulating layer | |
Möllenstedt et al. | Electron emission microscopy | |
JPS60255973A (en) | Method and device for evaporating material in vacuum | |
EP0064288A1 (en) | Method and apparatus for the production and utilization of activated molecular beams | |
Wan et al. | Investigation of Hot-Filament and Hollow-Cathode Electron-Beam Techniques for Ion Plating | |
JPH11504751A (en) | Boron nitride cold cathode | |
JP3345009B2 (en) | Method for ionizing material vapor produced by heating and apparatus for performing the method | |
US5601654A (en) | Flow-through ion beam source | |
RU2094891C1 (en) | Material for cathode | |
Richter et al. | Characteristics of the cathodic arc discharge with a hot boron cathode | |
JPH06128730A (en) | Production of metallic thin film | |
Maciel et al. | Studies of a hollow cathode discharge using mass spectrometry and electrostatic probe techniques | |
RU2161837C2 (en) | Process of deposition of substance on surface of substrate | |
JPS628409A (en) | Formation of transparent conducting metal oxide film | |
JPH06306588A (en) | Film forming device and production of film consisting of plural substances using the same | |
JP2005290510A (en) | Electron beam vapor deposition method and apparatus therefor | |
JP3330159B2 (en) | Dynamic mixing device | |
Mattausch et al. | THIN FILMS, BULK MATERIAL DEPOSITION, MODIFICATION OF SOLID SURFACES Gas discharge electron sources–Proven and novel tools for thin-film technologies | |
JPH1072285A (en) | Equipment for forming diamond-like carbon thin film and forming method therefor | |
Igumnov | Vacuum spraying. Vacuum installation-a variety of UVN vacuum deposition installations |