RU2588611C1 - Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes - Google Patents
Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588611C1 RU2588611C1 RU2014151510/07A RU2014151510A RU2588611C1 RU 2588611 C1 RU2588611 C1 RU 2588611C1 RU 2014151510/07 A RU2014151510/07 A RU 2014151510/07A RU 2014151510 A RU2014151510 A RU 2014151510A RU 2588611 C1 RU2588611 C1 RU 2588611C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- emission
- field emission
- cathode
- carbon
- Prior art date
Links
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of products of light-indicating equipment and emission electronics based on field emission from composite nanodiamond graphite structures.
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.A known method of manufacturing a matrix of a multi-tip field emission cathode, in which the matrix is formed by layers of woven fabric, impregnated with a high-temperature binder, for example pyrocarbon [a.s. USSR No. 767858, MKI H01J 1/30, 1978]. In the manufacture of the matrix by this method, all the threads of the fabric are oriented at an acute angle to the direction of electron emission, and the work surface, which is an emitter of electrons and consists of many fibers forming fibers, is polished.
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.However, during the operation of such autocathodes in a technical vacuum, the binder is destroyed by ion bombardment. This leads to stratification of the material and significantly limits the density of field emission currents and the life of the cathode.
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.Also known is a thermochemical method for forming a regular multi-tip matrix of a field emission cathode from glassy carbon [Patent RU 1738013, MKI H01J 1/30, 1993]. For this, an auxiliary layer of a transition material with the necessary topology is formed on the surface of the carbon substrate. Nickel, which dissolves carbon well at a temperature of 800-1000 ° C, is used as a transition contact material for thermochemical etching. As a result of thermochemical etching in a hydrogen furnace at T = 1000-1100 ° C and subsequent removal of the nickel layer, a multi-tip structure is formed on the carbon substrate. The formation of a transition metal layer with a system of microholes is carried out using photolithography and galvanic building technologies. The packing density of matrix glassy carbon emitter structures manufactured by this technology reaches 10 6 cm -2 . The points in the matrix have the shape of a truncated cone with a height of up to 15-20 microns. To increase the electric field gain, the tips of the tips are specially sharpened in the oxygen plasma. After sharpening, their radius is 0.3-0.5 microns.
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.However, with this method of forming a matrix of multi-tip cathodes, it is impossible to ensure their high packing density. This reduces the current densities from emitters, and the application of high electric fields to enhance the field emission process leads to an increase in heat generation, ion bombardment and, as a result, degradation of multi-tip cathodes. In addition, the multi-stage and complexity of the technology limits its application and competitiveness.
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.Matrices of multi-tip field emission cathodes consisting of single-walled carbon nanotubes are also known [Bonard J. - M., Salvetat J. - P., Stockli T., Heer WA, Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. Single-walled nanotubes constituted a certain web-like structure with other carbon particles and were separated from them by ultrasonic treatment in solution. The resulting purified suspension was deposited on a substrate, on which, after drying, a uniform film was formed from randomly oriented single-walled nanotubes filling the surface of the substrate with a density of 10 8 cm -2 . The coefficient of increase in the electric field at the top of the tube varies in the range from 2500 to 10000 with an average value of 3600, which is approximately three times higher than the corresponding value for multilayer nanotubes.
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.However, the emission characteristics of such structures are unstable - for ten hours of continuous operation, the emission current density (at a constant applied voltage) decreases by about an order of magnitude. This is due to the destruction of one-sided nanotubes under the action of high temperatures due to poor heat removal along the length of the nanotubes from the emission centers.
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.The closest analogue to the proposed method for producing field emission surfaces is a method for producing multi-tip cathodes in the form of a composite material that is a graphite matrix with inclusions of nanodiamond crystallites [Patent RU 2474909, IPC H01J 1/30, H01J 9/02, 2013]. Obtaining nanodiamond graphite structures is carried out by deposition in a nonequilibrium plasma of a microwave gas discharge in a magnetic field of vapors of carbon-containing substances, for example ethanol, at a substrate temperature in the range from 200 to 350 ° C. The film thickness is less than 100 nm. Such film structures make it possible to obtain stable field emission from the film surface for a long time of operation of the device in a technical vacuum.
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.The disadvantage of field emission cathodes obtained on the basis of nanodiamond-graphite structures is that under long-term operation at high field-emission current densities, which is achieved with increased external electric field strengths, the emitting structure is destroyed.
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).The aim of the invention is the creation of such a field emission matrix cathode based on composite nanodiamond graphite film material, which would provide a significant increase in field emission current densities and degradation resistance (stability of high-current field emission with a longer service life).
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.This goal is achieved in that a method for increasing field emission densities and degradation resistance of field emission cathodes, the working structures of which are composite nanodiamonds, are synthesized in a plasma of a microwave gas discharge of vapors of hydrocarbon substances, such as ethanol, characterized in that to increase the field densities of field emission and degradation resistance field emission current sampling is carried out from the end face of the obtained diamond-graphite film structure. Composite nanodiamond graphite film structures for high-current field emission cathodes, which are a graphite matrix with nanodiamond crystallite inclusions, are obtained by vapor deposition of a microwave gas discharge in a non-equilibrium plasma of carbon-containing substances, for example ethanol, with a thickness of less than 100 nm on thin heat-conducting substrates (for example, ceramics, glass, etc.), and field emission current sampling is carried out from the end face of the obtained film structure.
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.In such autocathode film structures, the conditions of heat removal are significantly improved, since the heat is removed from the current channel of each emission center not to the cross section of a thin film structure with increased resistance, but to the massive substrate on which the film autocathode is located, due to the longitudinal transport of carriers. In this case, in comparison with the transverse transport in the traditional planar film structure, the adhesive strength is improved by changing the direction of the ponderomotive forces from transverse to longitudinal relative to the field emission film, as well as reducing their values as a result of reducing the area of the electrostatic field and the likelihood of an avalanche transverse to the film is reduced electrical breakdown. The result is an increase in degradation resistance at significantly higher densities of field emission currents.
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.To increase the total field emission current, the cathode matrix is made in the form of substrates on which diamond-graphite structures are deposited on both sides. Moreover, they can be either single or multi-layer with dielectric insulation between the individual layers in the latter case. Subsequently, a cathode matrix can be formed from the structures thus obtained, in which individual flat elements (substrates with a deposited nanocomposite) are fastened together mechanically or using glue.
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.The manufactured end cathodes with nanodiamond graphite film structures obtained by deposition of a vapor of carbon-containing substances, for example ethanol, with a thickness of less than 100 nm in a nonequilibrium plasma of a microwave gas discharge in a magnetic field, showed good characteristics, namely, high emission stability with a current fluctuation amplitude of less than 3.5 % initially, that allows to predict the service life of the cathode at a level not less than 10000 hours, the emission current density was 1000 a / cm 2 or more, 50 times or more thumbs flushes the maximum current density, resulting in the planar structure of the prototype. With an increase in the number of diamond-graphite layers in the end cathode matrix, the total current collection increases in proportion to the area of the end emitting structures.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство СССР №767858, М. кл. Н01J 1/30, 1978.1. USSR author's certificate No. 767858, M. cl. H01J 1/30, 1978.
2. Патент RU 1738013, МКИ Н01J 1/30, 1993.2. Patent RU 1738013, MKI H01J 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. 918.3. Bonard J. - M., Salvetat J. - P., Stockli T., 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, 2013.4. Patent RU 2474909, IPC H01J 1/30, H01J 9/02, 2013.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151510/07A RU2588611C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151510/07A RU2588611C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588611C1 true RU2588611C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56370599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014151510/07A RU2588611C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2588611C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692240C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-06-24 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes |
| WO2019207353A1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-10-31 | Ооо "Экологический Свет" | Flat field-emission light source |
| RU2770303C1 (en) * | 2021-04-20 | 2022-04-15 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004214017A (en) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Works Ltd | Field emission type electron source and manufacturing method of field emission type electron source |
| RU2309980C1 (en) * | 2006-02-26 | 2007-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Liquid soap |
| US8182782B1 (en) * | 2000-10-06 | 2012-05-22 | Moravsky Alexander P | Methods for production of double-walled carbon nanotubes |
| RU2474909C1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes |
-
2014
- 2014-12-18 RU RU2014151510/07A patent/RU2588611C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8182782B1 (en) * | 2000-10-06 | 2012-05-22 | Moravsky Alexander P | Methods for production of double-walled carbon nanotubes |
| JP2004214017A (en) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Matsushita Electric Works Ltd | Field emission type electron source and manufacturing method of field emission type electron source |
| RU2309980C1 (en) * | 2006-02-26 | 2007-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Liquid soap |
| RU2474909C1 (en) * | 2011-06-01 | 2013-02-10 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692240C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-06-24 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes |
| WO2019207353A1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-10-31 | Ооо "Экологический Свет" | Flat field-emission light source |
| RU2770303C1 (en) * | 2021-04-20 | 2022-04-15 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Nanocarbon material for suppression of secondary electron emission and method for its production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2309480C2 (en) | Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode | |
| Gao et al. | Field emission of large-area and graphitized carbon nanotube array on anodic aluminum oxide template | |
| KR100829759B1 (en) | Carbon nanotube hybrid systems using carbide derived carbon, electron emitter comprising the same and electron emission device comprising the electron emitter | |
| JP5698982B2 (en) | Illumination lamp, nanocarbon material composite substrate, and manufacturing method thereof | |
| US7355330B2 (en) | Field emission material having an inter-layer spacing and further coated with insulating material | |
| JPH09509005A (en) | Diamond fiber field emitter | |
| Chen et al. | Flexible low-dimensional semiconductor field emission cathodes: fabrication, properties and applications | |
| RU2474909C1 (en) | Method to increase degradation resistance of high-current multi-spike field-emission cathodes | |
| RU2588611C1 (en) | Method of increasing current density of field emission and degradation resistance of field-emission cathodes | |
| JP2008105922A (en) | Carbide-derived carbon, electron-emitting source for cold cathode, and electron-emitting element | |
| Egorov et al. | Carbon-based field emitters: properties and applications | |
| RU2484548C1 (en) | Method for manufacture of matrix of multipoint autoemissive cathode based on single-crystal silicon | |
| US11215171B2 (en) | Field emission neutralizer | |
| RU171829U1 (en) | AUTO EMISSION CATHODE | |
| Wang et al. | Enhanced field emission properties of graphene-based cathodes fabricated by ultrasonic atomization spray | |
| Yue et al. | Amazing ageing property and in situ comparative study of field emission from tungsten oxide nanowires | |
| JP4357066B2 (en) | Field electron emission device and manufacturing method thereof | |
| RU2692240C1 (en) | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes | |
| RU2654522C1 (en) | Method for increasing current density and degradation resistance of auto-emission codes on silicon plates | |
| Seelaboyina et al. | Carbon-nanotube-embedded novel three-dimensional alumina microchannel cold cathodes for high electron emission | |
| RU2652651C2 (en) | Method of the multi-pin auto emission cathode matrix manufacturing on a mono-crystalline silicon | |
| RU2579777C1 (en) | Device based on carbon-containing cold cathodes arranged on semiconductor substrate, and method of making same | |
| Egorov et al. | Carbon-based field-emission cathodes | |
| Angelucci et al. | Field emission properties of carbon nanotube arrays grown in porous anodic alumina | |
| RU2813858C1 (en) | Method of increasing efficiency of multi-tip electron field emission cathodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191219 |