СТОЛБЧАТАЯ СТРУКТУРА И УСТРОЙСТВА НА ЕЕ ОСНОВЕ Российский патент 2011 года по МПК H01J29/18 

Изобретение относится к области светотехники, элементной базы микроэлектроники, электронного и электромагнитного материаловедения, включая вакуумную микроэлектронику, рентгенооптику, люминесценцию, в том числе катодо-, фото- и электролюминесценцию, конкретно, к технике люминесцентных экранов, используемых в полевых эмиссионных дисплеях, электронно-лучевых трубках, источниках света, рентгеновских электронно-оптических преобразователях, а также оптических дозиметрах и др.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Задача реализации люминесценции и создания эффективных твердотельных источников света решается уже более 60 лет. В классическом случае для этих целей применяются порошковые люминофоры. Однако в настоящий момент известны предложенные для этих целей конструкции устройств [1, 3, 4], по своим характеристикам значительно превосходящие указанные классические решения. Это достигается путем создания светопроводящих структур из материала самого люминофора. Тем не менее считать их в полной мере совершенными конструкциями нельзя. В предложенных вариантах возможно включение боковой поверхности в процесс активации материала люминофора для генерации излучения (см. Фиг.1а). Это увеличивает эффективность люминофора, то есть часть возбуждающих частиц, попадающая под углом в просвет между столбиками 6, также участвует в активации люминофора. Однако в таком случае не реализуются в полной мере преимущества световодной концепции столбчатого экрана, суть которого в полном внутреннем отражении генерируемого излучения. Такая структура работает практически как обычный люминофор. Поток частиц 3, попадающий на боковую поверхность 4 и распространяющийся 5а (и генерирующий в материале люминофора излучение) в материале такого люминофора, проникает 5b через границы столбиков в поперечном направлении и претерпевает многократное преломление на границе соседних столбиков. Если же согласно указанным изобретениям заполнить пространство между зернами материала светоотражающим материалом 7 (см. Фиг.1b), то поток частиц 3, падающий под углом α в просвет между столбиками, не будут участвовать в процессах активации излучения в материале люминофора. Настоящее изобретение предлагает гибкий вариант конструкции структуры люминофора и способ его производства, позволяющие реализовать преимущества столбчатой структуры, а именно полного внутреннего отражения, при этом, включив, по крайней мере, часть боковой поверхности каждого столбика в процесс генерации искомого излучения. Тем самым настоящее изобретение предлагает конструкцию столбчатого люминофора повышенной эффективностью с сохранением свойств световода. Изготовление предлагаемой конструкции значительно проще, что снижает себестоимость при ее производстве.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает столбчатую структуру на прозрачной подложке, которая содержит излучающие, светопроводящие, диэлектрические и проводящие элементы, по крайней мере, один излучающий элемент столбчатой структуры представляет собой столбик, проводящий и/или излучающий поток частиц, поверхность одного торца столбика обращена к внутренней стороне подложки и имеет с ней непосредственный или опосредованный контакт, через поверхность другого торца осуществляется прохождение частиц-возбудителей излучения внутрь столбика, причем часть боковой поверхности может быть покрыто материалом, отражающим поток частиц, распространяющихся в материале столбика, а проникновение частиц может происходить также и через часть боковой поверхности столбика. Указанный столбик может представлять собой монокристаллическую структуру. На поверхности торца столбика, через который осуществляется прохождение частиц внутрь столбика, может иметься покрытие из светоотражающего проводящего материала. Также такое покрытие может иметься на внешней или на внутренней стороне подложки. В качестве материала столбика может быть применен люминофор, причем плотность, по крайней мере, одного активатора в нем может иметь заданное распределение вдоль оси столбика. При этом в качестве материала, по крайней мере, части столбика может использоваться, по крайней мере, еще один люминофор иного состава. Столбик также может быть полностью покрыт слоем материала, отражающим поток частиц, распространяющихся в материале столбика. Причем материал, покрывающий часть боковой поверхности и отражающий поток частиц, распространяющихся в материале столбика, может представлять собой материал, которым заполнена часть пространства между столбиками. В таком случае остальная часть боковой поверхности и торец столбика, через который поток частиц-возбудителей излучения проникает внутрь его, могут быть покрыты тонким слоем светоотражающего материала. В любом из перечисленных выше случаев в качестве материала столбика может применяться как неорганическое соединение, так и органическое соединение.

Согласно настоящему изобретению предлагается источник света, содержащий источник частиц, способных генерировать кванты электромагнитного излучения в твердом теле, материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения, указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.

Настоящее изобретение также предлагает конструкцию рентгеновского электронно-оптического преобразователя, содержащего материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении рентгеновского излучения, при этом указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.

Оптический дозиметр, который можно реализовать согласно настоящему изобретению, содержит материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении радиационного излучения, причем указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.

Настоящее изобретение также предлагает способ изготовления столбчатой структуры излучающего материала, включающий в себя нанесение на подложку, по крайней мере, одного промежуточного вещества иного состава, чем излучающий материал, которое при температуре кристаллизации излучающего материала образует жидкую фазу в виде изолированных или фрагментарно изолированных частиц, осаждение излучающего материала вещества из паровой фазы, причем перед нанесением на подложку промежуточного вещества, образующего затем жидкую фазу, на поверхность подложки наносится вещество, повышающее адгезию промежуточного вещества к материалу подложке. Дополнительно к этому предлагается после нанесения вещества, повышающего адгезию промежуточного вещества к материалу подложки, на подложку наносится еще одно вещество, которое при образовании промежуточным веществом жидкой фазы способствует формированию формы капли промежуточного вещества, близкой к сфере, и фиксации капли на заданном участке подложки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1a - предшествующий уровень техники. Столбчатая структура в поперечном срезе без заполнения промежуточного пространства, предложенная в [1]. 1b - предшествующий уровень техники. Столбчатая структура в поперечном срезе с заполнением промежуточного пространства, предложенная в [1]. Схематичное изображения процесса проникновения падающего потока частиц в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 3 - поток падающих на столбчатую структуру частиц, 4 - боковая поверхность столбиков, 5a, b - поток квантов генерируемых в материале столбиков, а также частиц, попадающих в него, 6 - пространство между столбиками, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков.

Фиг.2а - столбчатая структура в поперечном срезе для генерации излучения частицами, способными проникнуть через дополнительный слой на поверхности столбчатой структуры. 2b - столбчатая структура в поперечном срезе с частично покрытой боковой поверхностью для генерации излучения частицами, способными проникнуть лишь через непокрытую поверхность. Схематичное изображения процесса проникновения падающего потока частиц в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 3 и 3а - поток падающих на столбчатую структуру частиц, 4 - боковая поверхность столбиков, 5а, с - поток квантов генерируемых в материале столбиков, а также частиц, попадающих в него, 6 - пространство между столбиками, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке.

Фиг.3а - микрофотография излучения в оптическом диапазоне регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно настоящему изобретению. Получено при облучении материала столбиков электронным потоком.

Фиг.3b - микрофотография морфологии регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно настоящему изобретению.

Фиг.4a-i - столбчатая структура в поперечном срезе. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, δ₁ - часть боковой поверхности столбиков, свободная от непрозрачного материала, δ₂ - часть боковой поверхности столбиков, покрытая непрозрачным материалом.

Фиг.5a, b, c - схематичное изображение процесса проникновения падающего потока частиц (например, электронов) в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке, 11 - поток падающих на столбчатую структуру частиц. 11а - генерация в материале столбика излучения частицей падающего потока, 12 - направление распространения генерированных в материале столбиков излучения, 13 - частица-возбудитель излучения, проникающая в материал столбиков через боковую поверхность и генерирующая излучение, 14 - частица-возбудитель излучения, проникающая в материал столбиков через боковую поверхность и не генерирующая излучение, 15 - покрытие на внутренней поверхности подложки, отражающее излучение, генерированное в материале столбиков, 16 - покрытие на внешней поверхности подложки, отражающее излучение, генерированное в материале столбиков, 17 - направление распространения генерированного в материале столбиков излучения в устройстве, использующего принцип люминесценции “на отражение”.

Фиг.6 - схематичное изображение процесса проникновения падающего потока частиц (например, фотонов) в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке, 11 - поток падающих на столбчатую структуру частиц. 11а - генерация в материале столбика излучения частицей падающего потока, 12 - распространение генерированных в материале столбиков излучения, 18 - поток частиц, падающих на материал столбиков, проникающих в него, распространяющийся через его массив, проходящий через прозрачную для него подложку и выходящий из нее, 19 - интегрированное (суммарное) излучение, полученное в результате наложения определенной доли потока падающих на столбчатую структуру частиц с определенной долей потока частиц, генерированных в материале столбиков частицами-возбудителями, составляющими определенную долю в потоке падающих частиц.

Фиг.7a-d - схематичное изображение технологии изготовления столбчатой структуры. 1 - прозрачная проводящая подложка, 20 - шероховатость на прозрачной подложке, 21 - частицы тугоплавкого материала, 22а - материал катализатора, нанесенного на подложку, 22b - образовавшаяся сфера из материала катализатора при его разогреве.

Фиг.8 - схематичное изображение процесса осаждения материала столбчатой структуры из газовой фазы. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 21 - частицы тугоплавкого материала, 22b - образовавшаяся сфера из материала катализатора при его разогреве, 23 - осаждающийся из газовой фазы материал столбчатой структуры.

Фиг.9 - предшествующий уровень техники. Микрофотография морфологии регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно [2].

Фиг.10 - схематичное изображение процесса нанесения материала покрытия поверхности столбиков столбчатой структуры, 1 - прозрачная подложка, 1а - внутренняя сторона прозрачной подложки, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 4 - боковая поверхность столбиков, 8 - покрытие на поверхности столбиков, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 24 - источник напыляемого материала, 25 - вращение подложки со структурой.

Фиг.11 - схематичное изображение процесса испарения с внешнего торца столбиков и части его боковой поверхности материала, непрозрачного для квантов, генерированных в материале столбиков. 1 - прозрачная подложка, 1a - внутренняя сторона прозрачной подложки, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 4 - боковая поверхность столбиков, 8 - покрытие на поверхности столбиков, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 26 - кванты теплового излучения, разогревающие материал покрытия, нанесенного на поверхность столбчатой структуры, 27 - излучатель, генерирующий кванты теплового излучения.

ПРИМЕРЫ

Согласно настоящему изобретению излучающие элементы устройства выполнены на светопроводящей подложке (например: стеклянной, кварцевой, сапфировой, карбида кремния и других прозрачных материалов) в виде светопроводящей структуры из столбиков, между которыми имеются просветы. Для более эффективного прохождения излучения через материал столбиков они предпочтительно являются монокристаллическими. Для падающего потока частиц 3 (Фиг.2а) под углом α и попадающего на участок между столбиками люминофора 6 имеется возможность участвовать в процессе генерации излучения 5а в самом материале люминофора 2. Генерируемое таким образом излучение 5а, распространяясь в массиве люминофора, отражается 5с от материала 8, которым покрыта поверхность 4 столбика. Далее, излучение, распространяясь в материале люминофора по законам полного внутреннего отражения, достигает светопрозрачной подложки 1.

Если для потока частиц 3, генерирующих излучение в материале люминофора 2 покрытие 8 является непрозрачным, то настоящее изобретение предлагает вариант конструкции, схематично изображенной на фиг.2b. Здесь удалена часть покрытия 8 с внешнего торца 9 столбика и части боковой поверхности 4. Поток частиц 3, попадая на боковую поверхность 4, проникает в материал люминофора 2, генерируя излучение 5а. Часть потока частиц 3а, которая попадает на покрытый материалом 8 (в качестве такого материала можно выбрать любой проводящий материал, например Al) участок поверхности 4, не участвует в процессе генерации излучения.

Настоящее изобретение также предлагает использовать преимущества столбчатой структуры как световода при размещении материала-активатора в люминофоре. Если распределить плотность активатора таким образом, чтобы ближе к внешнему торцу 9 столбика она была больше, а ближе к внутреннему торцу 10 меньше или вовсе была нулевой, то можно достичь одновременного решения сразу двух задач: создания люминофора для генерации квантов излучения и обеспечить их распространение в малом телесном угле. То есть плотность может иметь заданное распределение вдоль оси столбика. Это особенно актуально для получения направленного пучка света прожекторов. После генерации излучения на участке люминофора с большой концентрацией активаторов (в части столбиков, ближней к внешнему его торцу) поток фотонов, распространяясь вдоль столбика от внешнего торца к внутреннему торцу и к подложке, не должен претерпевать поглощения и рассеивания на примесях, которыми, в частности, являются частицы активатора. Таким образом, участок столбика из люминофора без активатора может иметь значительно большую протяженность по сравнению с той его частью, где имеется активатор. Согласно настоящему изобретению (см. фото на фиг.3а и на фиг.3b) столбчатую структуру следует использовать как световодную структуру для получения узконаправленных (с малым телесным углом) пучков света.

Настоящее изобретение предлагает конструкцию, которая может быть гибко подстроена под различные потребительские условия. Такими условиями могут быть выбор определенного вида частиц-возбудителей излучения с учетом их энергии применительно к конкретному случаю и определенного материала (в частности, люминофора), из которого необходимо изготовить столбчатую структуру. В одном случае энергия и природа применяемых частиц-возбудителей излучения позволяет ограничиться малыми поверхностями для проникновения в материал столбика. В таком случае может больше понадобиться та способность столбчатой структуры, которая позволяет без потери энергии проводить излучение вдоль оси столбика (указанное выше свойство световодности столбчатой структуры: полное внутренне отражение распространяемого излучения). Для реализации конструкции данного конкретного случая целесообразно использовать ее вариант, изображенный на фиг.4a, d, g. Здесь соотношение между высотой δ₁ свободного участка боковой поверхности 4 и высотой δ₂ боковой поверхности, имеющей отражающую способность (благодаря частичному заполнению промежутков между столбиками материалом 7 или слою 8, нанесенному на боковую поверхность столбиков), должно быть в пользу последней, то есть соблюдаться условие δ₁<δ₂.

В другом случае, когда энергия частиц-возбудителей излучения недостаточно велика, и в первую очередь необходимо обеспечить генерацию как можно большего количества квантов излучения в материале столбика, но при этом решить задачу по достижению контрастности изображения на внешней стороне прозрачной подложки, соотношение между рассмотренными выше высотами может приобрести иной вид: δ₁>δ₂. Такой вариант конструкции изображен на фиг.4c, f, i. В случае отсутствия особых потребительских условий, указанных выше, конструкция может иметь промежуточный вариант исполнения 4b, e, h, при этом справедливо условие δ₁≈δ₂.

Таким образом, результат достигается благодаря использованию части боковых поверхностей столбчатых структур в процессе поглощения частиц и последующей генерации излучения с сохранением способности столбчатых структурах к эффективной передаче такого излучения при его распространении в них посредством полного внутреннего отражения. “Вертикальная” составляющая участка материала столбчатой структуры (в частности, люминофора), которая представлена частью боковой поверхности столбика, позволяет увеличить количество квантов излучаемой энергии, получаемой с единицы площади излучаемой поверхности.

В качестве типичного примера исполнения настоящего изобретения следует рассмотреть конструкцию столбчатой структуры для реализации катодолюминесценции. На стеклянной (либо, например, кварцевой, нитрида кремния, сапфировой или др.) подложке 1 (Фиг.5а) на некотором расстоянии друг от друга (с зазором 6) расположены столбики 2, представляющие столбчатую структуру катодолюминесцентного экрана. Один торец (внутренний) 10 каждого столбика прикреплен к указанной стеклянной светопроводящей подложке 1. Другой торец (внешний) 9 каждого столбика свободен и обращен к источнику электронов - катоду. При этом сама структура экрана является анодом. Если в качестве материала 2 столбчатой структуры использовать такой люминофор, как ZnO:Zn, то в качестве покрытия 8 на боковой поверхности 4 и внешнем торце 9, прозрачного для потока электронов 11 (как частиц-возбудителей генерации), можно использовать металлическую пленку из Zn (или Al). Она дополнительно будут служить активатором, наряду с частицами Zn, расположенными в массиве материала ZnO. По этому же слою отводится электрический заряд, накапливаемый при бомбардировке материала люминофора, из которого изготовлен столбик. Наличие светоотражающей металлической пленки на боковой поверхности столбика 8 и его внешнем торце 9 обеспечивает полное отражение всего сгенерированного в материале люминофора электромагнитного излучения - фотонов, которые имеют возможность выхода из указанного материала только через внутренний торец 10, обращенный к подложке и далее через подложку.

Электроны 11, падающие на столбчатую структуру под углами и попадающие в промежуток между столбиками, имеют разную перспективу. Часть из них 13, попадающие на боковую поверхность столбика, покрытого Zn, под достаточно большим углом, имеют шансы проникнуть через указанный слой металла в массив материала люминофора и генерировать 11а квант излучения, который имеет направление распространения 12. Другая часть 14 с малыми углами к боковой поверхности столбиков не преодолевает барьер из металла Zn, значительное время пролетая вдоль такой поверхности и взаимодействуя с ней.

Настоящий вариант исполнения предложенной конструкции может быть трансформирован из катодолюминесцентного экрана “на просвет” в катодолюминесцентный экран “на отражение”. В этом случае (Фиг.5b) светоотражающее покрытие на поверхности внешнего торца 9 отсутствует, а на внутренней стороне стеклянной подложки 15 такое покрытие имеет место. Так же возможен вариант, когда вместо покрытия на внутренней стороне подложки 15 оно имеется на внешней стороне подложки 16 (Фиг.5с). В таких случаях генерируемые в материале люминофора фотоны отражаются от всех светоотражающих поверхностей столбика и выходят 17 из него через его внешний торец 9. Таким образом, выходят они через тот же торец, через который электроны попадают в материал люминофора.

Другим примером исполнения настоящего изобретения следует рассмотреть конструкцию столбчатой структуры для реализации источника света. Как и в предыдущем примере, на стеклянной подложке 1 (Фиг.6) на некотором расстоянии друг от друга расположены столбики 2, представляющие столбчатую структуру источника света. Один торец (внутренний) 10 каждого столбика прикреплен к указанной стеклянной светопроводящей подложке 1. Другой торец (внешний) 9 каждого столбика свободен и обращен к источнику фотонов - диоду или иному источнику электромагнитного излучения. В качестве диода можно использовать, например, на основе соединений GaNInN. Если в качестве материала 2 столбчатой структуры использовать гранатовый (стоксовский) люминофор, как, например. Y₃Al₅O₁₂:Ce или CdSZnS:Ag, то в качестве покрытия 8 на боковой поверхности 4 можно использовать металлическую пленку из Al (Pt, Ag или др.), предварительно подготовив поверхность при помощи напыления Cr. Генерируемый диодом поток фотонов 11 со спектром излучения от ультрафиолетового (УФ) до синего, попадая в материал люминофора, претерпевает трансформацию. Фотоны УФ излучения 11 генерируют 11а в материале указанного люминофора кванты излучения (имеющего направление распространения 12), соответствующие желтому цвету. При наложении этого излучения с квантами синего цвета 18 получается интегральный (сложенный) результат - белый цвет 19. Светоотражающий материал в такой конструкции имеется лишь на части боковой поверхности столбика, что обеспечивает эффективное использование поверхности столбика (в том числе и части боковой) для проникания частиц-возбудителей излучения (генерирующих кванты электромагнитного излучения внутри столбика люминофора) и канализирования сгенерированного в материале люминофора электромагнитного излучения - фотонов вдоль столбика, подобно световоду. Такое излучение выходит из указанного материала через внутренний торец 10, обращенный к подложке и далее через подложку. Часть излучения имеет возможность выхода из материала люминофора и через внешний торец 9 столбика. На этом торце светоотражающее покрытие отсутствует, так же как и отсутствует часть покрытия на боковой поверхности, вблизи внешнего торца 9 столбика. Это связано с тем, что фотоны, необходимые для генерации и суммирования итогового излучения, выходящего из столбика-люминофора, должны проникать в материал люминофора через внешний торец 9 столбика и через часть боковой поверхности.

В качестве примера способа изготовления столбчатой структуры согласно настоящего изобретения можно рассмотреть следующий. На поверхность подложки наносится вещество, например Cr, которое образует соединение с материалом подложки. В результате на поверхности подложки образуются островки 20 (Фиг.7а), которые “разрывают” химические связи на этой поверхности, создавая шероховатость поверхности. Это важно особенно для таких материалов, как стекло. Благодаря таким островкам 20 напыляемый затем в малом количестве тугоплавкий материал 21 имеет возможность закрепиться на гладкой поверхности (Фиг.7b). Таким материалом может служить любое тугоплавкое вещество, например Pt. После нанесения на такую поверхность материала-катализатора 22а (Фиг.7с) (посредством литографии или напыления через маску), например Cu, (или Ag, Au, Al и т.д.) и последующего нагрева достигается эффект, являющийся важным при создании столбчатой структуры, которой задается конкретное распределение на поверхности подложки. Суть эффекта в том, чтобы капля металла-катализатора приобрела форму 22b (Фиг.7d), близкую к сферической, при этом практически не сместившись от заданного положения. Это достигается благодаря тому, что более тугоплавкий материал Pt при температурах, когда менее тугоплавкий материал сплавляется, образуя каплю, сохраняет свое состояние и положение неизменным 21 (Фиг.7d). Благодаря этому у капли снижается способность к перемещению по гладкой поверхности, то есть происходит “закрепление” ее в заданной точке поверхности, и она приобретает форму сферы, не разбиваясь на фрагменты. После этого осуществляется осаждение из газовой фазы материала вещества 23 (Фиг.8) будущего столбика 2, который по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) приобретает структуру монокристалла. Получаемая описанным способом, структура приобретает более совершенные формы, чем полученные согласно [2]. Эффект этот виден при сравнении структуры, полученной благодаря описанному способу и изображенной на фотографии фиг.3b, со структурой, полученной согласно [2] и изображенной на фотографии фиг.9. Как видно из фотографий, структура, изображенная на фиг.9, имеет упорядоченный характер, то есть при ее изготовлении использовался один из способов задания положения капли. Однако способ создания такой структуры несовершенен, результатом чего явилось наличие разных по формам и размерам (условным диаметрам) столбиков. Способ, который предложен настоящим изобретением, позволяет формировать практически одинаковые излучающие элементы столбчатой структуры и четко в заданных точках поверхности подложки (Фиг.3b).

При создании столбчатой структуры согласно настоящему изобретению металл-катализатор может быть выбран таким образом, что он будет являться для будущего люминофора активатором генерации излучения (если в газовой фазе материала активатора будет мало или его не будет вовсе). Это может быть не только один материал, то есть в качестве металла-катализатора может быть использован и сплав различных металлов и иных химических элементов. В процессе роста он будет захватываться формирующейся структурой столбика. Причем в зависимости от выбранного режима роста количество “захватываемого” материала активатора-катализатора можно варьировать. Если в качестве материала-катализатора роста по методу ПЖК применяется вещество, не являющееся будущим активатором для получаемого таким образом материала столбика 2 (Фиг.8), то после формирования столбика 2 такой материал удаляется любым из известных доступных способов (например, травлением или испарением). В таком случае внедрение материала-активатора возможно осуществить путем ионной имплантации или напылением материала активатора на поверхность столбиков и последующим отжигом его для внедрения в поверхность столбиков, или другим известным доступным образом. Также возможно на определенном этапе создания столбика осуществить внесение в материал катализатора необходимого активатора. Это особенно важно при создании источников света с узконаправленными лучами испускаемого излучения, как это описано выше.

Далее для реализации одного из вариантов создания столбчатой структуры производят напыление из источника 24 на внешние торцы 9, боковые поверхности столбиков и часть 1а поверхности подложки (Фиг.10) с одновременным вращением 25 подложки относительно оси, перпендикулярной плоскости подложки. Полученная таким образом структура подходит для генерации излучения в материале столбиков за счет проникновения частиц, для которых нанесенный слой 8 прозрачен. Например, для случая применения столбчатой структуры в качестве катодолюминесцентного экрана: электроны способны проникать через тонкий слой металла. Если же для генерации излучения в материале (люминофоре) столбика используются кванты электромагнитного излучения, например ультрафиолетового диапазона, то поверхности 9 и 4 столбика, покрытые тонким слоем 8 металлической пленки, не будут прозрачны. Для того чтобы сделать часть поверхностей столбика прозрачными для указанных возбудителей генерации, удаляют часть тонкого слоя. Это можно осуществить, например, с помощью разогрева потоком квантов 26 от теплового излучателя 27 (Фиг.11).

Для заполнения пространства между столбиками и получения структур, изображенных на фиг.4(а-с), можно использовать гальванику, предварительно разместив на частях 1а поверхности подложки проводящий материал. Также подобного результата можно достичь, напылив достаточное количество металла на всю столбчатую структуру, затем расплавив ее с помощью теплового излучателя, изображенного на фиг.11, и удалив оставшийся на внешнем торце 9 столбика и части его боковой поверхности металл. При необходимости для создания тонкой пленки металла дополнительно к заполненному металлом пространству после этих операций можно осуществить повторное напыление с помощью способа, изображенного на фиг.10. А затем можно и удалить часть при помощи испарения (такая структура изображена, например, на фиг.4g, h, i).

Для получения рентгеновского электронно-оптического преобразователя необходимо в качестве материала столбика использовать CsI. При этом для более эффективного использования всего генерируемого излучения целесообразно использовать столбчатую структуру, представляющую собой столбики, имеющие вдоль их оси разный состав люминофоров 2а и 2b и соответствующих активаторов (Фиг.12). Такая структура может быть эффективна и для катодо-, электро- и фото-люминесцирующих экранов.

Настоящее изобретение может быть использовано и для изготовления оптического дозиметра, содержащего в качестве материала, способного поглотить γ-частицы, тяжелые элементы либо органические соединения, например биокристаллы.

Источники информации

1. “Катодолюминесцентный экран”, патент РФ №2144236, 10.01.2000 г.

2. “Способ изготовления люминесцирующих экранов со столбчатой структурой”, патент РФ №2127465, 10.03.1999 г.

3. "Cathodoluminescent screen with a columnar structure …", PCT Application WO 99/22394, 06/05/1999.

4. “Источник белого света”, патент РФ №2214073, 10.10.2003 г.

Столбчатая структура на прозрачной подложке содержит излучающие, светопроводящие, диэлектрические и проводящие элементы. По крайней мере один излучающий элемент столбчатой структуры представляет собой столбик, излучающий частицы генерированного излучения под воздействием падающих на столбик частиц-возбудителей и обеспечивающий прохождение падающих на столбик, распространяющихся в столбике и выходящих из него частиц. Поверхность одного торца столбика обращена к внутренней стороне подложки и имеет с ней непосредственный или опосредованный контакт. На части боковой поверхности столбика имеется непрозрачный материал, отражающий поток частиц, генерированных в материале столбика и распространяющихся в материале столбика. Прохождение частиц возбудителей осуществляется через поверхность другого торца и через часть боковой поверхности столбика, свободной от непрозрачного материала. На основе столбчатой структуры могут быть выполнены источник света, рентгеновский электронно-оптический преобразователь и оптический дозиметр. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования люминофора. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Столбчатая структура на прозрачной подложке, содержащая излучающие, светопроводящие, диэлектрические и проводящие элементы, по крайней мере, один излучающий элемент столбчатой структуры представляет собой столбик, излучающий частицы генерированного излучения под воздействием падающих на столбик частиц-возбудителей и обеспечивающий прохождение падающих на столбик, распространяющихся в столбике и выходящих из него частиц, при этом поверхность одного торца столбика обращена к внутренней стороне подложки и имеет с ней непосредственный или опосредованный контакт, а на части боковой поверхности столбика имеется непрозрачный материал, отражающий поток частиц, генерированных в материале столбика и распространяющихся в материале столбика, при этом прохождение частиц возбудителей осуществляется через поверхность другого торца и через часть боковой поверхности столбика, свободной от непрозрачного материала.

2. Столбчатая структура по п.1, отличающаяся тем, что столбик представляет собой монокристаллическую структуру.

3. Столбчатая структура по п.1, отличающаяся тем, что на внешней или на внутренней стороне подложки имеется покрытие из светоотражающего проводящего материала.

4. Столбчатая структура по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала столбика применяется люминофор, при этом плотность, по крайней мере, одного активатора люминофора может иметь заданное распределение вдоль оси столбика.

5. Столбчатая структура по п.4, отличающаяся тем, что в качестве материала, по крайней мере, части столбика используется, по крайней мере, еще один люминофор иного состава.

6. Столбчатая структура по п.1, отличающаяся тем, что непрозрачный материал, покрывающий часть боковой поверхности столбика и отражающий поток частиц, генерированных в материале столбика и распространяющихся в материале столбика, представляет собой материал, которым заполнена часть пространства между столбиками.

7. Столбчатая структура по пп.1-6, отличающаяся тем, что в качестве материала столбика применяется неорганическое соединение.

8. Столбчатая структура по пп.1-6, отличающаяся тем, что в качестве материала столбика применяется органическое соединение.

9. Источник света, содержащий источник частиц, способных генерировать кванты электромагнитного излучения в твердом теле, материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения, отличающийся тем, что указанный материал имеет столбчатую структуру по любому из пп.1-6.

10. Рентгеновский электронно-оптический преобразователь, содержащий материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении рентгеновского излучения, отличающийся тем, что указанный материал имеет столбчатую структуру по любому из пп.1-6.

11. Оптический дозиметр, содержащий материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении радиационного излучения, отличающийся тем, что указанный материал имеет столбчатую структуру по любому из пп.1-6.