RU2823119C1 - Острийно-лезвийный автоэмиссионный катод типа "канцелярская кнопка" - Google Patents
Острийно-лезвийный автоэмиссионный катод типа "канцелярская кнопка" Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823119C1 RU2823119C1 RU2023130497A RU2023130497A RU2823119C1 RU 2823119 C1 RU2823119 C1 RU 2823119C1 RU 2023130497 A RU2023130497 A RU 2023130497A RU 2023130497 A RU2023130497 A RU 2023130497A RU 2823119 C1 RU2823119 C1 RU 2823119C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- field emission
- substrate
- blade
- emission cathode
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 5
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000000866 electrolytic etching Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции одноострийных и многоострийных автоэмиссионных катодов для электровакуумных приборов, в том числе СВЧ-диапазона длин волн. Технический результат - повышение механической прочности, увеличение автоэмиссионного тока на несколько порядков величины по сравнению с одноострийным автоэмиссионным катодом, а также повышение устойчивости к ионной бомбардировке за счет увеличенной площади эмиссии. Механическая прочность сцепления автоэмиттера с подложкой обеспечивается тем, что автоэмиттер является продолжением подложки в перпендикулярном направлении к ней и представляет с ней единое целое, а соотношение длины лезвия единичного «острийно-лезвийного» автоэмиссионного катода L и радиуса его кривизны R L≤(5÷10)R обеспечивает увеличение автоэмиссионного тока и его стабильность в процессе ионной бомбардировки за счет увеличения площади эмитирующей поверхности. «Острийно-лезвийный» автоэмиссионный катод по форме представляет собой «канцелярскую кнопку», изготовленную из металлической фольги толщиной Δ, а вертикально ориентированный к подложке автоэмиттер является ее продолжением, причем длина автоэмиттера равна толщине фольги. Автоэмиттер имеет форму четырехгранной пирамиды. Его противоположные грани, две в форме треугольника и две в форме четырехугольника сходятся на его вершине, образуя лезвие в форме треугольного клина на его вершине длиной L и радиусом кривизны вершины R. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции одноострийных и многоострийных автоэмиссионных катодов для электровакуумных приборов, в том числе СВЧ-диапазона длин волн.
Принцип работы автоэмиссионных катодов (АЭК) основан на квантово-механическом туннелировании электронов в вакуум сквозь потенциальный барьер, высота и ширина которого уменьшены внешней напряженностью электрического поля Е=(1÷7)×107 В/см вблизи эмитирующей поверхности [Г.Н. Фурсей Автоэлектронная эмиссия // Санкт-Петербург - Москва - Краснодар, изд-во «Лань». 2012. 319 с.]. В отличие от термоэмиссионных катодов АЭК не требуют затрат энергии на эмиссию электронов, что позволяет увеличить КПД приборов и избавить электровакуумные приборы (ЭВП) от нежелательных эффектов (пробои и утечки между электродами пушки), связанных с высокой температурой пушечного узла, повысить их долговечность и надежность, что определяет перспективность использования АЭК.
Известны конструкции АЭК, например, для полевых микроскопов, представляющие собой одиночный автоэмиттер в форме иглы или конуса с заостренной вершиной с радиусом кривизны порядка 0.1-1 мкм, изготовленные из отрезков проволоки из тугоплавкого металла. Заострение вершин осуществляют методом химического или электролитического травления. В конструкции катода автоэмиттеры прикрепляются к держателю из металлической проволоки («дужке»), либо к металлической подложке контактной сваркой [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с., стр. 63-66]. Максимальное значение тока не превышает единиц микроампер. Недостатками конструкции АЭК с одиночными металлическими автоэмиттерами являются сложность конструкции, реализация которой требует дополнительных технологических операций (травление, крепление) и низкое значение эмиссионного тока.
Известны конструкции АЭК из углеродных нанотрубок (УНТ) каждая из которых представляет собой полую цилиндрическую трубку из атомов углерода. Диаметр нанотрубки составляет несколько десятков нанометров, длина может достигать нескольких десятков микрометров. Нанотрубки формируют методом химического осаждения углерода из газовой фазы на плоских кремниевых пластинах. Между основанием нанотрубки и пластиной заранее формируют с помощью магнетронного распыления и фотолитографии никелевый слой в форме островков, которые служат катализатором при осаждении нанотрубок [Y. Iwai, Т. Koike, A. Jyouzuka et all // Technical Digest. 2014. Field emission Characteristics of graphite field emitter. 27th International Vacuum Nanoelectronics Conference. 6-10 July. 2014. Engelberg. Switzerland. 44-45]. Значения эмиссионных токов из УНТ, по разным данным, колеблются от единиц до десятков микроампер. При протекании электрического тока УНТ разогреваются Джоулевым теплом неравномерно по их длине. Максимальный разогрев наблюдается на расстоянии 1/5 длины УНТ от ее вершины. В данной точке наблюдается максимальная механическая неустойчивость, в которой УНТ разрушается под действием пондеромоторных сил [Huang N.Y., She J.C., Chen J., et аl. Mechanism Responsible for Initiating carbon nanotube // Phys. Rev. Lett. 93 075501 (2004)].
Недостатками АЭК из УНТ являются их низкая механическая прочность, которая препятствует получению устойчивых и предсказуемых токов эмиссии, а также низкое значение эмиссионного тока.
Наиболее близкой к заявляемому решению является конструкция многоострийного автоэмиссионного катода, содержащего множество автоэмиттеров в форме конусов из молибдена высотой ~1 мкм и радиусом кривизны вершины в несколько десятков нанометров, сформированных на плоской подложке из кремния в углах квадратов со стороной 10 мкм [Spindt С.A. Thin-Film Field-Emission Cathode // Journal of Applied Physics. 1968. No 7. PP. 3504-3505. Стр. 63-64]. Автоэмиттеры формируют с помощью тонкопленочной технологии напыления и фотолитографии. Такие катоды в литературе получили название - матричные катоды Спиндта. Для данной конструкции величина полного тока катода Ik пропорциональна максимально допустимому значению тока с одиночного автоэмиттера imax и количеству автоэмиттеров N: Ik=imax×N, где K<1 вследствие того, что с помощью данной технологии сложно обеспечить идентичность столь малых размеров радиуса кривизны вершины для всех автоэмиттеров на катодной подложке. Максимально допустимое значение тока с одиночного острия в катодах Спиндта составляет 1…2 мкА [Шестеркин В.И. Эмиссионно-эксплуатационные характеристики различных типов автоэмиссионных катодов // Радиотехника и электроника. 2020. Том 65. №1. С. 1-30, стр. 5]. Адгезия оснований автоэмиттеров в форме конуса к подложке определяется межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. При высоких напряженностях электрического поля они могут оказаться недостаточными, и под действием пондеромоторных сил автоэмиттеры могут отделиться от подложки. При токах, превышающих указанное выше значение, вершины автоэмиттеров разрушаются за счет разогрева Джоулевым теплом до температуры плавления за счет высокой плотности протекающего через них тока.
Недостатком конструкции является недостаточно высокая прочность сцепления (адгезия) основания автоэмиттеров с подложкой, низкое значение эмитируемого ими тока вследствие малой площади эмитирующей поверхности, ограниченной ее малым радиусом кривизны. Вероятность разрушения вершин автоэмиттеров ионами остаточных газов возрастает при уменьшении их радиуса кривизны, что ухудшает стабильность эмиссии и снижает их долговечность в условиях технического вакуума [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с., стр. 140]. Планарная форма катода затрудняет их использование в ЛБВ и клистронах с компрессией электронного пучка по площади.
Величина отбираемого тока с АЭК прямо пропорциональна площади эмитирующей поверхности, на которой напряженность электрического поля достаточна для туннелирования электронов с поверхности катода в вакуум [М.И. Елинсон, Г.Ф. Васильев. Автоэлектронная эмиссия // Государственное издательство физико-математической литературы. 1958. 272 с.]. Увеличение площади эмитирующей поверхности возможно путем размещения одиночных автоэмиттеров вдоль одной линии. В пределе, когда расстояние между соседними вершинами одиночных автоэмиттеров будет меньше их радиуса кривизны, формируется автоэмиссионный катод в форме лезвия. Катод с большим отношением длины лезвия к радиусу кривизны его вершины получил название лезвийный автоэмиссионный катод.
Результаты расчетов показывают, что при соотношении длины лезвия L и радиуса кривизны его вершины R: L≥(5÷10)R напряженность электрического поля уменьшается до 5 раз, что приводит к снижению плотности автоэмиссионного тока по экспоненте на двадцать порядков величины. При соотношении L<(5÷10)R максимальное снижение напряженности электрического поля на вершине лезвия составляет не более чем в 1,5 раза и снижение эмиссионного тока компенсируется увеличением площади эмиссии. Заявляемый АЭК «острийно-лезвийного» типа по величине отбираемого тока автоэлектронной эмиссии и напряжению между вершиной автоэмиттера и вытягивающим электродом (анодом или сеткой) занимает промежуточное значение между одноострийными и лезвийными автоэмиссионными катодами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение механической прочности, увеличение автоэмиссионного тока на несколько порядков величины по сравнению с одноострийным автоэмиссионным катодом, а также повышение устойчивости к ионной бомбардировке за счет увеличенной площади эмиссии.
Механическая прочность сцепления автоэмиттера с подложкой обеспечивается тем, что автоэмиттер является продолжением подложки в перпендикулярном к ее поверхности направлении и представляет с подложкой единую конструкцию. Соотношение длины лезвия одиночного «острийно-лезвийного» автоэмиссионного катода L и радиуса его кривизны R
L≤(5÷10)R
обеспечивает увеличение автоэмиссионного тока и его стабильность в процессе ионной бомбардировки за счет увеличения площади эмитирующей поверхности при незначительном (до 1,5 раз) снижении напряженности электрического поля на вершине. Более развитая по сравнению с одиночным автоэмиттером эмитирующая поверхность более устойчива к ионной бомбардировке.
«Острийно-лезвийный» автоэмиссионный катод по форме представляет собой «канцелярскую кнопку», изготовленную из металлической фольги толщиной Δ, а вертикально ориентированный к подложке автоэмиттер является ее продолжением (фиг. 1а). Причем длина автоэмиттера равна толщине фольги:
L=Δ.
Непосредственно автоэмиттер имеет форму четырехгранной пирамиды. Его противоположные грани, две в форме треугольника и две в форме четырехугольника, сходятся на его вершине, образуя лезвие в форме клина длиной L и радиусом кривизны вершины R (фиг. 1а).
Для увеличения напряженности электрического поля на вершине «острийно-лезвийного» АЭК плоскости прямоугольных граней могут быть изогнуты внутрь пирамиды в сторону биссектрисы из угла при вершине пирамиды (фиг. 1б).
«Острийно-лезвийные» АЭК могут быть размещены в один или несколько рядов (фиг. 2) или на концентрических окружностях (фиг. 3).
Фиг. 2 - многоострийный АЭК с размещением эмиттеров в один ряд (а) или в несколько рядов (б) на плоской подложке.
Фиг. - 3 многоострийный АЭК с эмиттерами треугольной формы (а) и с вогнутыми гранями (б), размещенными на концентрических окружностях плоской подложки.
Фиг. 4 - многоострийный АЭК с размещением эмиттеров треугольной формы на концентрических окружностях вогнутой сферической подложки: а) вид сверху; б) вид снизу.
Claims (4)
1. Автоэмиссионный катод, содержащий один или множество автоэмиттеров в форме вертикально ориентированных к подложке выступов с заостренной вершиной, отличающийся тем, что одиночный автоэмиттер является продолжением подложки из фольги толщиной Δ в перпендикулярном направлении к ней и имеет форму четырехгранной пирамиды со сходящимися при ее вершине в форме клина боковыми гранями, две из которых параллельны друг другу и имеют форму треугольника с радиусом закругления вершины R, а две другие грани имеют форму прямоугольника со стороной при вершине длиной L, равной толщине подложки.
2. Автоэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что параллельные друг другу грани имеют форму треугольника с вогнутыми внутрь пирамиды сторонами.
3. Автоэмиссионный катод по п. 2, отличающийся тем, что множество автоэмиттеров в форме вертикально ориентированных к подложке четырехгранных пирамид размещены в один ряд, в несколько рядов или на концентрических окружностях.
4. Автоэмиссионный катод по п. 3, отличающийся тем, что множество автоэмиттеров в форме четырехгранных пирамид размещены на вогнутой поверхности в виде сферы, тора и др. на концентрических окружностях и ориентированы по направлению радиуса кривизны поверхности подложки.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823119C1 true RU2823119C1 (ru) | 2024-07-18 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5905330A (en) * | 1995-01-25 | 1999-05-18 | Nec Corporation | Field emission cathode with uniform emission |
| CN102768930A (zh) * | 2010-12-29 | 2012-11-07 | 清华大学 | 场发射电子器件 |
| RU2526240C1 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления автоэмиссионного катода |
| RU2713381C1 (ru) * | 2019-07-01 | 2020-02-05 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Способ изготовления катодно-сеточного узла с автоэмиссионным катодом |
| RU2789539C1 (ru) * | 2022-06-03 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ изготовления автоэмиссионного катода |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5905330A (en) * | 1995-01-25 | 1999-05-18 | Nec Corporation | Field emission cathode with uniform emission |
| CN102768930A (zh) * | 2010-12-29 | 2012-11-07 | 清华大学 | 场发射电子器件 |
| RU2526240C1 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления автоэмиссионного катода |
| RU2713381C1 (ru) * | 2019-07-01 | 2020-02-05 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Способ изготовления катодно-сеточного узла с автоэмиссионным катодом |
| RU2789539C1 (ru) * | 2022-06-03 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ изготовления автоэмиссионного катода |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SPINDT С.A. Thin-Film Field-Emission Cathode, Journal of Applied Physics, 1968, No 7, pp. 3504-3505, р. 63-64. ФУРСЕЙ Г.Н. Автоэлектронная эмиссия, Санкт-Петербург - Москва - Краснодар, изд-во "Лань", 2012, 319 с. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Spindt et al. | Field-emitter arrays for vacuum microelectronics | |
| US6283812B1 (en) | Process for fabricating article comprising aligned truncated carbon nanotubes | |
| US6504292B1 (en) | Field emitting device comprising metallized nanostructures and method for making the same | |
| Brodie et al. | Vacuum microelectronic devices | |
| US6538367B1 (en) | Field emitting device comprising field-concentrating nanoconductor assembly and method for making the same | |
| US7465210B2 (en) | Method of fabricating carbide and nitride nano electron emitters | |
| US7276842B2 (en) | Electron-emitting device, electron source and image-forming apparatus, and method for manufacturing electron emitting device | |
| Brodie et al. | The application of thin-film field-emission cathodes to electronic tubes | |
| Lim et al. | Enhanced field emission properties of carbon nanotube bundles confined in SiO2 pits | |
| Spindt et al. | Field‐emitter‐array development for microwave applications | |
| Rupesinghe et al. | Field emission vacuum power switch using vertically aligned carbon nanotubes | |
| Shesterkin | Operating emission characteristics of various types of field-emission cathodes | |
| US6441550B1 (en) | Carbon-based field emission electron device for high current density applications | |
| RU2823119C1 (ru) | Острийно-лезвийный автоэмиссионный катод типа "канцелярская кнопка" | |
| Xu et al. | High-voltage triode flat-panel display using field-emission nanotube-based thin films | |
| Lei et al. | Very high field emission from a carbon nanotube array with isolated subregions and balanced resistances | |
| KR100668332B1 (ko) | 카바이드 및 나이트라이드 나노 전자 에미터를 구비한 소자의 제조방법 | |
| Zajec et al. | Ring-shaped field emission patterns from carbon nanotube films | |
| RU118119U1 (ru) | Полевой эмиттер | |
| Sun et al. | Self-heating Schottky emission from a ballasted Carbon nanotube array | |
| US6836066B1 (en) | Triode field emission display using carbon nanobtubes | |
| Spindt et al. | Field-emitter-array development for microwave applications | |
| RU2654522C1 (ru) | Способ повышения плотности тока и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов на кремниевых пластинах | |
| RU2808770C1 (ru) | Способ повышения плотности полевых токов и крутизны автоэмиссионных вах | |
| RU183913U1 (ru) | Триодная электронная пушка с автокатодом |