RU2640355C2

RU2640355C2 - Cathode manufacturing method based on array of field-emission emitters

Info

Publication number: RU2640355C2
Application number: RU2016114920A
Authority: RU
Inventors: Эльдар Залимович Хамдохов; Залим Мухамедович Хамдохов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Штерн" (ООО "Штерн")
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-12-28
Also published as: RU2016114920A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: cathode manufacturing method based on the array of field-emission emitters includes formation of cathode structure by application of a catalytic, carbon and contact layers on dielectric support structure surface containing through-holes, application of anode layer on the opposite side of the support structure with holes aligned with the cathode structure. A blank is used as a support structure and has a form of a glass plate combining a large number of microstructures with channels (MCP), inside which there are regularly spaced emitters formed by electric arc method on the surface of the catalyst layer and are based on graphitic nanoparticles effectively emitting electrons due to low electron work function.

EFFECT: enhanced reliability and improved electro-physical parameters of the device.

2 dwg

Description

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.The invention relates to vacuum electronics devices for microwave devices, flat displays, portable x-ray sources, etc., as well as to a method for manufacturing a cathode based on an array of field emission emitters.

В настоящее время существует потребность в источниках электронов (катодах) для СВЧ-электроники, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и т.д. Требования к катодам: большие плотности тока, термостойкость, долговечность. Традиционно в качестве катодов используются термокатоды, имеющие низкий КПД, большие массогабариты и значительную инерционность.Currently, there is a need for electron sources (cathodes) for microwave electronics, flat panel displays, portable x-ray sources, etc. Requirements for cathodes: high current densities, heat resistance, durability. Traditionally, cathodes use thermal cathodes that have low efficiency, large mass dimensions, and significant inertia.

Появление технологий получения многоострийных полевых эмиттеров, работающих при техническом вакууме (10^-7-10^-8 Торр), дало импульс новым работам, направленным на решение обозначенных проблем. Однако, несмотря на достигнутые успехи, эти эмиттеры пока не позволили создать приборные структуры, удовлетворяющие требованиям разработчиков систем, в частности большие плотности тока, термостойкость, долговечность. Причины этого кроются в том, что многоострийные эмиттеры недостаточно долговечны при отборе больших токов из-за разрушения эмиттеров под действием бомбардировки ионами остаточных газов, тепловых эффектов, приводящих к термической деградации эмиттеров, а также негативного влияния адсорбатов (кислорода, паров воды) на автоэмиссионные свойства катодов.The advent of technologies for producing multi-edge field emitters operating under a technical vacuum (10 ^-7 -10 ^-8 Torr) has given impetus to new work aimed at solving these problems. However, despite the successes achieved, these emitters have not yet allowed creating instrument structures that meet the requirements of system developers, in particular, high current densities, heat resistance, and durability. The reasons for this lie in the fact that multi-axis emitters are not durable enough when selecting high currents due to the destruction of emitters due to ion bombardment of residual gases, thermal effects leading to thermal degradation of emitters, and the negative effect of adsorbates (oxygen, water vapor) on field emission properties cathodes.

В последнее время значительный интерес привлекают исследования автоэлектронной эмиссии из графитоподобных наноструктур (графен, нанотрубки). С практической точки зрения особо актуальным является создание на их основе плоских источников света, дисплеев с равномерной засветкой экранов. Для этого необходимо формировать массивы автоэмиссионных эмиттеров большой площади (до 1000 см²) с однородными автоэмиссионными свойствами рабочей поверхности.Recently, studies of field emission from graphite-like nanostructures (graphene, nanotubes) have attracted considerable interest. From a practical point of view, the creation of flat light sources, displays with uniform illumination of screens on their basis is especially relevant. For this, it is necessary to form arrays of field emission emitters of a large area (up to 1000 cm ² ) with homogeneous field emission properties of the working surface.

Известен электродуговой способ формирования графитоподобных наночастиц в аморфной углеродной пленке, осажденной на поверхность каталитической пленки [Khamdokhov Е.Z., Khamdokhov Z.M., Kulikauskas V.S., Chernykh P.N., Serushkin S.V., Migunova E.S. Effect of Thermal Annealing on the Properties of a C/Ni Heterostructure // The Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2014. Vol. 8. №6. P. 12997-1301].A known electric arc method of forming graphite-like nanoparticles in an amorphous carbon film deposited on the surface of a catalytic film [Khamdokhov E.Z., Khamdokhov Z.M., Kulikauskas V.S., Chernykh P.N., Serushkin S.V., Migunova E.S. Effect of Thermal Annealing on the Properties of a C / Ni Heterostructure // The Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2014. Vol. 8. No. 6. P. 12997-1301].

Известен способ формирования графитоподобных наночастиц в аморфной углеродной пленке электродуговым методом нанесенной на поверхность нихромовой пленки [Хамдохов Э.З., Тешев Р.Ш., Хамдохов З.М., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х., Куликаускас B.C., Ерискин Ф.Ф. // Свойства хром-никелевого сплава после воздействия пучка ионов углерода. Известия КБНЦ РАН. 2015. №5 (67). С. 18-23].A known method of forming graphite-like nanoparticles in an amorphous carbon film by an electric arc method deposited on the surface of a nichrome film [Khamdokhov EZ, Teshev R.Sh., Khamdokhov Z.M., Kalazhokov Z.Kh., Kalazhokov H.Kh., Kulikauskas BC, Yeriskin F.F. // Properties of a chromium-nickel alloy after exposure to a beam of carbon ions. Bulletin of the KBSC RAS. 2015. No5 (67). S. 18-23].

Недостатком приведенных способов является невозможность сформировать автоэмиссионные эмиттеры большой площади с однородными автоэмиссионными свойствами рабочей поверхности.The disadvantage of these methods is the inability to form field emission emitters of a large area with homogeneous field emission properties of the working surface.

Известен миниатюрный рентгеновский излучатель [Патент РФ №2563879] с управляющим электродом, выполненным в виде МКП, который усиливает поток эмитированных из катода электронов и отражает рентгеновское излучение со стороны катода к аноду.Known miniature x-ray emitter [RF Patent No. 2563879] with a control electrode made in the form of MCP, which enhances the flow of electrons emitted from the cathode and reflects x-ray radiation from the cathode to the anode.

Недостатком конструкции данного устройства является то, что она не обеспечивает вакуумную герметизацию и контактирование выводных электродов к рабочим элементам.The disadvantage of the design of this device is that it does not provide vacuum sealing and contacting the output electrodes to the working elements.

Известен способ изготовления матрицы автоэмиссионного катода [Патент RU №2183362] на основе углеродного материала, размещенного в отверстиях стеклянной пластины. Графитовые нити пропускают в стеклянную заготовку и методом перетяжки в подобии получают заготовки остеклованных волокон. Чередуя остеклованные волокна и заготовки из сплошного стекла, собирают стекловолоконный блок, который затем спекают и режут на матрицы автоэмиссионного катода.A known method of manufacturing a matrix of field emission cathode [Patent RU No. 2183362] based on a carbon material placed in the holes of a glass plate. Graphite filaments are passed into a glass preform, and vitrified fiber preforms are obtained by the constriction method in a similar manner. Alternating vitrified fibers and solid glass preforms, a glass fiber block is assembled, which is then sintered and cut into field emission cathode arrays.

Недостатком данного способа является то, что формирование графитовых эмиттеров проводится не в едином технологическом цикле, что приводит к разбросу эмиссионных параметров эмиттеров.The disadvantage of this method is that the formation of graphite emitters is not carried out in a single technological cycle, which leads to a spread in the emission parameters of the emitters.

Известно плоское устройство для отображения информации [Патент RU №2126187], в котором для осуществления прохождения электронов от катода на основе алмазоподобной пленки к аноду в управляющих электродах и пленках диэлектриков имеются отверстия, образующие канал, в котором осуществляется управление электронным потоком.Known flat device for displaying information [Patent RU No. 2126187], in which for the passage of electrons from the cathode based on a diamond-like film to the anode in the control electrodes and films of dielectrics there are holes that form a channel in which the electron beam is controlled.

Недостатком устройства является то, что алмазоподобные пленки имеют достаточно высокую работу выхода электронов, что не позволяет получить большую плотность автоэмиссионных токов.The disadvantage of this device is that diamond-like films have a sufficiently high electron work function, which does not allow to obtain a high density of field emission currents.

Известна структура и способ изготовления полевых автоэмиссионных элементов с углеродными нанотрубками, используемыми в качестве катодов [Патент РФ №2391738]. Эмиссионный элемент включает подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала, опорную структуру, содержащую сквозные отверстия, внутри которых происходит формирование углеродных нанотрубок на поверхности каталитического слоя при поступлении активной газовой среды к поверхности каталитического слоя через технологические отверстия в анодном слое, расположенного на поверхности опорной структуры.A known structure and method of manufacturing field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes [RF Patent No. 2391738]. The emission element includes a substrate, a cathode structure consisting of one or more layers of electrically conductive material, a support structure containing through holes, inside which carbon nanotubes are formed on the surface of the catalytic layer when the active gas medium enters the surface of the catalytic layer through technological holes in the anode layer, located on the surface of the supporting structure.

Недостатком данного технического решения является нестабильность эмиссионных характеристик углеродных нанотрубок и непродолжительный ресурс службы катодов на их основе.The disadvantage of this technical solution is the instability of the emission characteristics of carbon nanotubes and the short service life of cathodes based on them.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является предложенное в патенте РФ №2455724 «Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий». Предлагаемый интегральный автоэмиссионный элемент включает диэлектрическую подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, состоящую из одного диэлектрического слоя или нескольких диэлектрических и электропроводящих слоев, расположенную на внешней поверхности катодной структуры, и содержащую сквозные отверстия для формирования эмиттеров на основе наноалмазных покрытий, расположенных в упомянутых отверстиях опорной структуры на внешней поверхности катодной структуры, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре.The closest technical solution to the claimed invention is proposed in RF patent No. 2455724 "Structure and method for the manufacture of integrated field emission elements with emitters based on nanodiamond coatings." The proposed integrated field emission element includes a dielectric substrate, a cathode structure consisting of one or more layers of electrically conductive material and located on the outer surface of the aforementioned substrate, a support structure consisting of one dielectric layer or several dielectric and electrically conductive layers located on the outer surface of the cathode structure, and containing through holes for forming emitters based on nanodiamond coatings located in apertures of the support structure on the outer surface of the cathode structure, an anode layer of electrically conductive material located on the outer surface of the support structure and containing process holes aligned with said holes in the support structure.

Недостатком данного способа является то, что на изготовленных интегральных элементах с наноалмазными покрытиями получена амплитуда флуктуации тока 3.5%, что существенно больше амплитуды флуктуации тока, которая позволяет получить эмиссионные приборы с характеристиками, приемлемыми для технических приложений.The disadvantage of this method is that the current fluctuation amplitude of 3.5% is obtained on the manufactured integrated elements with nanodiamond coatings, which is significantly larger than the current fluctuation amplitude, which allows one to obtain emission devices with characteristics acceptable for technical applications.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: внутри сквозных отверстий опорной структуры формируют катодную структуру на основе эмитирующего углеродного материала; формируют анодный слой из электропроводящего материала на противоположной стороне упомянутой опорной структуры с отверстиями, совмещенными с катодной структурой.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention: inside the through holes of the supporting structure form a cathode structure based on emitting carbon material; an anode layer of electrically conductive material is formed on the opposite side of said support structure with holes aligned with the cathode structure.

Задача, решаемая изобретением: увеличение продолжительности работы катода, снижение рабочих напряжений, улучшение стабильности и равномерности автоэлектронной эмиссии, снижение стоимости изготовления катода.The problem solved by the invention: increasing the duration of the cathode, reducing operating voltages, improving the stability and uniformity of field emission, reducing the cost of manufacturing the cathode.

Сущность изобретения: формируется катодная структура: испарением в вакууме наносится каталитический материал (Ni, Fe, Co и пр.) на торцевую поверхность опорной структуры в виде стеклянной пластины, объединяющей большое число микроструктур с каналами (МКП), и через сквозные отверстия на поверхность внутри каналов; электродуговым методом на поверхность каталитического слоя наносится с закрытием отверстий сплошная углеродная пленка, содержащая графитоподобные наночастицы, на поверхность углеродного слоя наносится контактный слой. Наносится анодный слой из электропроводящего материала на противоположную поверхность опорной структуры с отверстиями, совмещенными с катодной структурой. Напыление пленок осуществляется при вращении заготовок МКП вокруг своей оси для создания в каналах равномерного по глубине покрытия.The inventive cathode structure is formed: catalytic material (Ni, Fe, Co, etc.) is applied by evaporation in vacuum on the end surface of the support structure in the form of a glass plate, combining a large number of microstructures with channels (MCP), and through holes through the surface inside channels by an electric arc method, a continuous carbon film containing graphite-like nanoparticles is applied to the surface of the catalytic layer with the holes closed; a contact layer is applied to the surface of the carbon layer. An anode layer of electrically conductive material is applied to the opposite surface of the support structure with holes aligned with the cathode structure. Films are sprayed by rotating MCP blanks around its axis to create uniform coverage depth in the channels.

Отличием заявленного способа от прототипа является использование в конструкции катода стеклянной пластины, объединяющей большое число микроструктур с каналами, практически идентичных по геометрическим и вторично-эмиссионным свойствам, в которых электродуговым методом в присутствии катализатора сформированы регулярно расположенные эмиттеры на основе графитоподобных наночастиц.The difference between the claimed method and the prototype is the use of a glass plate in the cathode design, combining a large number of microstructures with channels that are almost identical in geometric and secondary emission properties, in which regularly located emitters based on graphite-like nanoparticles are formed by the electric arc method in the presence of a catalyst.

Вариант применения изобретения иллюстрируется следующими чертежами:An embodiment of the invention is illustrated by the following drawings:

Фиг 1. Стандартная МКП, представляющая собой стеклянный диск диаметром 35 мм и толщиной 0.1 мм, содержащий каналы, наклоненные на угол ~2° относительно нормали к торцам, диаметром ~6 мкм и толщиной стенки ~1.5 мкм.Fig 1. Standard MCP, which is a glass disk with a diameter of 35 mm and a thickness of 0.1 mm, containing channels inclined at an angle of ~ 2 ° relative to the normal to the ends, with a diameter of ~ 6 μm and a wall thickness of ~ 1.5 μm.

Фиг 2. Конструкция автоэмиссионного катода. Обозначение слоев: 1 - каталитический слой из нихрома; 2 - углеродный слой; 3 - контактный слой из нихрома; 4 - анодный слой из нихрома.Fig 2. The design of the field emission cathode. Designation of the layers: 1 - catalytic layer of nichrome; 2 - carbon layer; 3 - contact layer of nichrome; 4 - anode layer of nichrome.

Claims

A method of manufacturing a cathode based on an array of field emission emitters, including the formation of a cathode structure by applying a catalytic, carbon and contact layers to the surface of a dielectric support structure containing through holes, applying an anode layer on the opposite side of the support structure with holes aligned with the cathode structure, characterized in that as a supporting structure, a blank in the form of a glass plate is used, combining a large number of microstructures with channels (MCP ), inside which regularly located emitters are formed on the surface of the catalytic layer on the basis of graphite-like nanoparticles, which effectively emit electrons due to the low electron work function.