МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА С НИЗКИМ ПОРОГОМ ПОЛЕВОЙ ЭМИССИИ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1999 года по МПК H01J1/02 H01J1/14 H01J1/30 

Изобретение относится к области материалов электронной техники, а более конкретно - к электродным материаламов для полевой эмиссии.

Материалы с низким порогом полевой эмиссии могут быть использованы в различных электронных устройствах в качестве эффективных катодов, например, для плоских экранов дисплеев компьютеров и телевизоров. Полевые эмиттеры, изготовленные из кремния, в том числе из кремниевых острий, полученных травлением, хорошо известны [1].Однако для получения таких материалов требуется очень дорогое оборудование, и получение больших по размеру катодов с однородными свойствами крайне затруднено.

Известно, что алмаз обладает отрицательным сродством к электрону, что делает его перспективным для использования в качестве катодов полевой эмиссии. Известны материалы на основе алмаза, у которых эмиссия происходит при низких напряженностях электрического поля - поликристаллические алмазные пленки, синтезированные методом осаждения из газовой фазы [2, 3, 4]. Однако алмазные пленки высокого качества являются изолятором, в то время как эффективный алмазный эмиттер должен обладать достаточной электропроводностью. Это достигается легированием алмаза [4] или нанесением на его поверхность тонкого металлического слоя [3]. Указанные методы получения материалов с низким порогом эмиссии сложны в аппаратурном исполнении, обеспечивают получение деталей небольших габаритов, в таких материалах сложно обеспечить однородность эмиссионных свойств по поверхности.

В качестве прототипа авторами выбран эмиттер на основе алмаза и углерода [5] , состоящий из графитоподобной (проводящей) подложки, покрытой алмазной или алмазоподобной пленкой. Для получения материала углеродные волокна обрабатывают суспензией алмазных частиц (0,25 - 1,0 мкм) в органическом растворителе, а затем высушивают. В этом случае на поверхности волокна осаждаются частицы алмаза, которые затем являются центрами роста алмазной пленки. Алмазную (или алмазоподобную) пленку получают методом плазменного или химического осаждения из углеродсодержащих газов. Полученный материал имеет тем самым подложку с высокой электропроводностью и алмазное покрытие на ее поверхности. Материал обладает хорошими эмиссионными свойствами.

Недостатком известного материала является сложность изготовления больших и однородных деталей. Это связано с тем, что отдельные стадии процесса являются трудноконтролируемыми. Трудно обеспечить как равномерное осаждение алмазов на поверхность волокон, так и синтез однородной алмазной пленки на поверхности больших подложек с учетом того, что алмазные частицы в полуфабрикате распределены неоднородно и т.п. Кроме того, полученный материал является по сути градиентным материалом, включающим графитоподобную токопроводящую подложку и активную в эмиссии алмазную пленку на ее поверхности. Известно, что в процессе эмиссии происходит постепенное разрушение эмиттирующей поверхности. Тем самым в ходе работы происходит изменение параметров пленки (толщины, шероховатости и др.), что приводит к нестабильности работы материала.

Задачей изобретения является разработка материала, обеспечивающего низкий порог электронной эмиссии в сочетании с высокой электропроводностью и однородностью эмиссионных свойств по поверхности и стабильностью во времени и возможностью изготовления из него деталей большого размера.

Поставленная задача изобретения достигается тем, что материал выполнен из частиц алмаза, связанных между собой графитоподобной углеродной матрицей. Содержание в материале углеродной матрицы не должно превышать 35 мас.%. Для достижения поставленной изобретательской задачи могут быть использованы, алмазные микропорошки с размером частиц от 0,1 до 60 мкм, порошки алмаза с частицами размером менее 20 нм (так называемый ультрадисперсный алмаз или наноалмаз), а также смеси вышеуказанных порошков.

Применение материалов с содержанием графитоподобной углеродной матрицы более 35 мас.% нецелесообразно, т.к. получение таких материалов технологически затруднено. При использовании алмазных частиц с размером более 60 мкм не достигается требуемая однородность эмиссионных свойств материала, связанная с "грубой" структурой материала. Алмазные частицы с размером от 20 нм до 0,1 мкм недоступны для использования, т.к. отсутствуют технологические приемы их производства.

Сущность предполагаемого технического решения состоит в том, что материал с низким порогом эмиссии включает в себя алмазные частицы с размером менее 60 мкм. Заключенные в графитоподобную углеродную матрицу алмазные частицы обеспечивают довольно низкий порог холодной эмиссии электронов. Их равномерное распределение в материале как на поверхности, так и в объеме, которое задается способом получения подобного материала, обусловливает однородность эмиссионных свойств и их устойчивость при эмиссии. В ходе постепенного разрушения эмиттирующей поверхности при работе эмиттера на поверхность материала выходят новые алмазные частицы того же размера и той же объемной концентрации, т.е. происходит самовосстановление поверхности. Наличие в материале графитоподобной углеродной матрицы значительно улучшает процесс эмиссии. Это связано с высокой электропроводностью углеродной матрицы, не только связывающей алмазные частицы в единый композит, но и обеспечивающей равномерный перенос электронов в зону эмиссии, т.е. к каждой частице алмаза, расположенной на поверхности материала. Следует обратить внимание на то, что высокое объемное содержание алмазных частиц в материале определяет очень высокую концентрацию эмиттирующих центров на поверхности, каждым из которых является изолированная от других, но связанная с ними электропроводящим контактом отдельная частица алмаза.

Предлагаемый материал может быть получен путем прессования заготовки из порошка алмаза выбранной дисперсности и последующей термообработки заготовки в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их термического разложения. В этих условиях в порах заготовки протекает химическая гетерогенная реакция, приводящая к образованию углеродного слоя на поверхности алмазных частиц. По мере образования графитоподобного углерода он сращивает алмазные частицы в единый композит, в котором сам графитоподобный углерод выполняет роль матрицы. Как видно из описания процесса, он позволяет реализовать равномерное распределение алмазных частиц по поверхности конечного изделия, также как и равномерность распределения в нем электропроводной матрицы. Электропроводная матрица обеспечивает равенство потенциалов на границах раздела алмаз - матрица для всех частиц алмаза, в том числе находящихся на поверхности и эмитгирующих электроны. Это является важным фактором для обеспечения однородности эмиссионных свойств.

Простота способа получения материала позволяет изготавливать из него детали больших размеров. Полученный материал обладает низким порогом полевой эмиссии электронов. Изменение содержания алмаза и графитоподобной углеродной матрицы в заявляемых интервалах, также как и варьирование объемного содержания алмаза в материале обеспечивают возможность управления свойствами материала в широких диапазонах, что важно для выбора оптимальных характеристик для каждого конкретного применения.

Дальнейшее усовершенствование материала, не приводящее к изменению его состава и основных свойств, может быть достигнуто обработкой его поверхности, например, в микроволновой водородной плазме, обеспечивающей дополнительную очистку поверхности алмазных зерен, лежащих на поверхности, от нежелательных примесей, а также использованием в качестве исходных порошков алмаза - легированного алмаза, содержащего на поверхности или в объеме гетероатомы, например, B, P, N, Al и других атомов металлов и неметаллов, изменяющих электрофизические и эмиссионные характеристики материала.

Следующие примеры характеризует сущность изобретения.

Пример 1. Материал в виде диска диаметром 50 мм и толщиной 2 мм содержит в своем составе 75 мас.% алмазных частиц с размером менее 20 нм и 25 мас.% графитоподобной углеродной матрицы, полученной обработкой заготовки в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. Материал имеет удельное электрическое сопротивление 800 Ом•см.

Пример 2. Материал в виде параллелепипеда с размерами 20х30х3 мм содержит в своем составе 83 мас.% алмазных частиц со средним размером 1 мкм и 17 мас. % графитоподобной углеродной матрицы, полученной обработкой заготовки в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. Материал имеет удельное электрическое сопротивление 0,1 Ом•см.

Пример 3. Материал в виде диска диаметром 50 мм и толщиной 2 мм содержит в своем составе 20 мас.% графитоподобной углеродной матрицы 80 мас.% алмазных частиц, из которых 1/3 составляют частицы с размером менее 20 нм, 1/3 - частицы со средним размером 1 мкм и 1/3 - со средним размером 12 мкм. Материал имеет удельное электрическое сопротивление 50 Ом•см.

Материалы по примерам 1-3 исследованы на эмиссионные свойства в условиях вакуума 10^-7 торр путем установки вольфрамового анода на расстоянии 20 - 100 мкм от поверхности для измерения вольт-амперных характеристик эмиссии электронов в электрических полях напряженностью до 200 В/мкм в диапазонах плотности тока эмиссии от 10 нА/см² до 1 А/см². Исследования показали, что порог эмиссии электронов при плотности тока 10 мкА/см² составляет: для примера 1 - 25 В/мкм, для примера 2 - 12 В/мкм, для примера 3 - 20 В/мкм. Характерными особенностями эмиссии во всех примерах являются:
- отсутствие лавинообразных скачков тока эмиссии на восходящих ветвях вольт-амперных характеристик (плавное контролируемое поведение эмиссии);
- малая величина гистерезиса (практически отсутствующий гистерезис) между восходящими и нисходящими ветвями вольт-амперных характеристик;
- отсутствие дрейфа вольт-амперных кривых при многократном циклировании с разными предельными значениями плотности тока от 10 мкА/см² до 1 А/см²;
- ток эмиссии в фиксированном поле стабилен (испытания в течение 2 ч при плотности тока до 1 А/см²), после такой выдержки вольт-амперные характеристики не изменились;
- высокая пространственная однородность эмиссии, вариация порогового поля эмиссии по поверхности составила менее 10 мкА/см².

Таким образом, применение предлагаемого изобретения по сравнению с существующими обеспечивает получение материала, который в сочетании с низким порогом эмиссии обладает:
- стабильностью и воспроизводимостью эмиссионных свойств;
- однородностью эмиссионных свойств по поверхности материала;
- достаточно высоким уровнем электропроводности, необходимым для применения материалов в качестве эмиттеров;
- обеспечивает возможность получения планарных эмиттеров большой площади.

Литература:
1. Spind et al., J.Appl.Phys. v. 47 p. 5248, 1976.

2. S. Wang et al. Electron. Lett., 27 (1991) 1459.

3.A.V.Karabytov et al., Pecularities of field electron emission from CVD diamond films, J.de Physique IV, C5 (1996) 113.

4. K.Okano et al., Appl.Phys.Lett, 64 (1994) 2742.

5. S.Valone, US Patent 5602439, Diamond-graphite field emitters, 1994.

Изобретение относится к области материалов электронной техники, а более конкретно - к электродным материалам для полевой эмиссии. Материал выполнен из частиц алмаза, связанных между собой графитоподобной углеродной матрицей, при этом размер частиц алмаза не превышает 50 мкм. Содержание в материале углеродной матрицы не должно быть более 3 мас.%. Могут быть использованы порошки алмаза с частицами (так называемый ультрадисперсный алмаз или наноалмаз) менее 20 нм, а также смеси указанного порошка и алмазных микропорошков размеров частиц от 0,1 до 60 мкм. Технический результат заключается в получении материала, который в сочетании с низким порогом эмиссии обладает стабильностью и воспроизводимостью эмиссионных свойств, однородностью эмиссионных свойств по поверхности материала, достаточно высоким уровнем электропроводности, необходимым для применения материала в качестве эмиттеров, что обеспечивает возможность получения планарных эмиттеров большой площади. 3 з. п.ф-лы.

1. Материал на основе алмаза с низким порогом полевой эмиссии электронов, отличающийся тем, что он выполнен из частиц алмаза, связанных между собой графитоподобной углеводной матрицей, при этом размер частиц алмаза не превышает 60 мкм. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что содержание графитоподобной углеводной матрицы составляет не более 35 мас.%. 3. Материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он содержит частицы алмаза размером менее 20 нм. 4. Материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он содержит частицы алмаза двух размеров: один в диапазоне от 01-60 мкм, а другой - менее 20 нм.