Способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров Российский патент 2017 года по МПК H01J9/02 

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.

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.

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.

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.

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].

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].

Недостатком приведенных способов является невозможность сформировать автоэмиссионные эмиттеры большой площади с однородными автоэмиссионными свойствами рабочей поверхности.

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.

Недостатком конструкции данного устройства является то, что она не обеспечивает вакуумную герметизацию и контактирование выводных электродов к рабочим элементам.

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.

Недостатком данного способа является то, что формирование графитовых эмиттеров проводится не в едином технологическом цикле, что приводит к разбросу эмиссионных параметров эмиттеров.

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.

Недостатком устройства является то, что алмазоподобные пленки имеют достаточно высокую работу выхода электронов, что не позволяет получить большую плотность автоэмиссионных токов.

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.

Недостатком данного технического решения является нестабильность эмиссионных характеристик углеродных нанотрубок и непродолжительный ресурс службы катодов на их основе.

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.

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.

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.

Задача, решаемая изобретением: увеличение продолжительности работы катода, снижение рабочих напряжений, улучшение стабильности и равномерности автоэлектронной эмиссии, снижение стоимости изготовления катода.

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.

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.

Вариант применения изобретения иллюстрируется следующими чертежами:

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.

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.

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. Способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров включает формирование катодной структуры нанесением каталитического, углеродного и контактного слоев на поверхность диэлектрической опорной структуры, содержащей сквозные отверстия, нанесение анодного слоя на противоположной стороне опорной структуры с отверстиями, совмещенными с катодной структурой. В качестве опорной структуры используется заготовка в виде стеклянной пластины, объединяющей большое число микроструктур с каналами (МКП), внутри которых электродуговым способом на поверхности каталитического слоя формируются регулярно расположенные эмиттеры на основе графитоподобных наночастиц, эффективно эмитирующие электроны за счет низкой работы выхода электронов. Изобретение позволяет повысить надежность и улучшить электрофизические параметры устройства. 2 ил.

Способ изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров, включающий формирование катодной структуры нанесением каталитического, углеродного и контактного слоев на поверхность диэлектрической опорной структуры, содержащей сквозные отверстия, нанесение анодного слоя на противоположной стороне опорной структуры с отверстиями, совмещенными с катодной структурой, отличающийся тем, что в качестве опорной структуры используется заготовка в виде стеклянной пластины, объединяющей большое число микроструктур с каналами (МКП), внутри которых электродуговым способом на поверхности каталитического слоя формируются регулярно расположенные эмиттеры на основе графитоподобных наночастиц, эффективно эмитирующие электроны за счет низкой работы выхода электронов.