Способ изготовления холодного катода Российский патент 2020 года по МПК C01B32/168 B82B3/00 H01J1/30 B82Y30/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области углеродных наноструктур, а именно слоев углеродных нанотрубок на металлических подложках, применяемых в качестве холодных катодов (автоэлектронных источников эмиссии). Преимуществами холодных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов являются: малая чувствительность к внешней радиации, отсутствие накала, высокая плотность тока автоэмиссии, безинерционность. Совокупность выше указанных свойств обуславливает перспективность использования катодов в различных электронных приборах. Также холодные катоды могут применяться для инжекции зарядов в объем конденсированных сред при криогенных температурах, что, в частности, используется для изучения свойств твердого и сверхтекучего гелия.

Известен способ изготовления холодного катода [Холодный катод. Патент РФ №2572245, опубл. 10.01.2016 г.] - аналог, в котором на пористую поверхность диска из нержавеющей стали механически наносят слой углеродной сажи, а затем сверху равномерно насыпают нанотрубки, которые механически втирают в слой сажи. Недостатком способа является то, что полученные таким образом холодные катоды требуют подачи значительного напряжения для получения тока эмиссии. Так, для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А от холодного катода в сверхтекучий гелий, на холодный катод, изготовленный по способу-аналогу, необходимо подать напряжение в 260 В.

Известен способ изготовления холодного катода [Устройство для получения массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках. Патент РФ №2471706, опубл. 10.01.2013 г.] - прототип, в котором слой углеродных нанотрубок наносится на металлическую подложку осаждением в дуговом разряде. Основным недостатком способа является то, что полученные таким образом холодные катоды требуют подачи значительного напряжения для получения тока эмиссии. Так, для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А от холодного катода в сверхтекучий гелий, на холодный катод, изготовленный по способу-прототипу, необходимо подать напряжение в 220 В.

Задачей данного изобретения является создание способа изготовления холодного катода, позволяющего существенно снизить напряжение, необходимое для создания тока эмиссии отрицательных зарядов (электронов).

Эта задача решается в предлагаемом способе изготовления холодного катода, в котором слой углеродных нанотрубок наносится на металлическую подложку осаждением в дуговом разряде, за счет того, что металлическая подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок затем выдерживается в атмосфере водорода при давлении 80-90 атм.

Холодные катоды, полученные по предлагаемому способу, требуют подачи существенно более низкого напряжения для создания тока эмиссии. Так, для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А от холодного катода в сверхтекучий гелий, на холодный катод, изготовленный по предлагаемому способу, необходимо подать напряжение £ 50 В, что как минимум в 4,4 раза ниже, чем требуется для холодного катода, изготовленного по способу прототипу.

Достигнутый эффект объясняется снижением энергии выхода электронов при использовании холодных катодов, изготовленных по предлагаемому способу. Оценка энергии выхода электронов по методике Фаулера-Нордгейма [R.H. Fowler, L. Nordheim. Proc. R. Soc. London A119, 173(1928)] для холодных катодов, изготовленных по способу-прототипу, дает значение на уровне 5,0 эВ. Аналогичные измерения для холодных катодов, полученных по предлагаемому способу, дают значения энергии выхода электронов на уровне 1,2 эВ.

Интервал давлений для выдержки металлических подложек с нанесенным слоем углеродных нанотрубок в атмосфере водорода определен экспериментально. При давлениях водорода ниже 80 атм. возрастает напряжение, которое требуется подавать на катод для получения заданных значений тока, что обусловлено недостаточной абсорбцией Н₂ на углеродных нанотрубках. Увеличение давления водорода до уровня выше 90 атм. не дает дальнейшего положительного эффекта.

Пример 1.

Слой углеродных нанотрубок наносится на медную подложку осаждением в дуговом разряде, затем подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок выдерживается в атмосфере водорода при давлении 70 атм. Величина напряжения, которое необходимо подать на полученный холодный катод для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А в сверхтекучий гелий, составляет 90 В. То есть при данном давлении Н₂ напряжение, необходимое для создания заданного тока эмиссии остается слишком большим.

Пример 2.

Слой углеродных нанотрубок наносится на медную подложку осаждением в дуговом разряде, затем подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок выдерживается в атмосфере водорода при давлении 80 атм. Величина напряжения, которое необходимо подать на полученный холодный катод для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А в сверхтекучий гелий, составляет 49 В. Полученный холодный катод соответствует задаче изобретения.

Пример 3.

Слой углеродных нанотрубок наносится на медную подложку осаждением в дуговом разряде, затем подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок выдерживается в атмосфере водорода при давлении 90 атм. Величина напряжения, которое необходимо подать на полученный таким образом холодный катод для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А в сверхтекучий гелий, составляет 48 В. Полученный холодный катод также соответствует задаче изобретения.

Пример 4.

Слой углеродных нанотрубок наносится на медную подложку осаждением в дуговом разряде, затем подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок выдерживается в атмосфере водорода при давлении 100 атм. Величина напряжения, которое необходимо подать на полученный таким образом холодный катод для создания тока отрицательных зарядов (электронов) в 10^-12 А в сверхтекучий гелий, составляет 48 В. То есть при таком давлении Н2 не наблюдается дальнейшего положительного эффекта (снижения величины напряжения, необходимого для создания заданного тока эмиссии).

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении электронных приборов, а также для инжекции зарядов в объём конденсированных сред при криогенных температурах. Слой углеродных нанотрубок наносят на металлическую подложку осаждением в дуговом разряде. После этого подложку с нанесённым слоем углеродных нанотрубок выдерживают в атмосфере водорода при давлении 80-90 атм. Изобретение обеспечивает снижение напряжения, необходимого для создания тока эмиссии отрицательных зарядов – электронов, в полученном холодном катоде. Например, для создания тока электронов в 10^-12 А от холодного катода, изготовленного по изобретению, в сверхтекучий гелий, на холодный катод необходимо подать напряжение, меньше или равное 50 В, что в 4,4 раза ниже, чем у аналогов. 4 пр.

Способ изготовления холодного катода, в котором слой углеродных нанотрубок наносится на металлическую подложку осаждением в дуговом разряде, отличающийся тем, что металлическая подложка с нанесенным слоем углеродных нанотрубок выдерживается в атмосфере водорода при давлении 80-90 атм.