Способ изготовления многослойного полевого эмиттера
Владельцы патента RU 2399114:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ) (RU)
Изобретение относится к области электронной техники. Технический результат - повышение эффективности и стабильности эмиссии с уменьшением порогового значения напряженности электрического поля. Способ изготовления многослойного полевого эмиттера состоит в получении вольфрамового острия путем химического травления вольфрамовой нити щелочным раствором, закреплении вольфрамового острия в нагревательном элементе, очистки вольфрамового острия в вакууме путем прогрева до получения поликристаллической решетки чистого вольфрама и последующем напылении. Напыление осуществляют последовательным нанесением слоя TiO2 толщиной не более двух монослоев, а затем слоя Cs, толщиной не более монослоя, при этом осуществляют контроль за током эмиссии до максимального его значения 2-3 мкА при расстоянии от анода до вольфрамового острия в пределах 23-27 мм и напряжении между ними в пределах 6±0,5 кВ. Способ может быть использован при создании плоских автоэмиссионных дисплеев для мониторов и телевизоров, не уступающих электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркости, магнетронов с безнакальным автокатодом, которые позволяют создавать современные и экономичные радары, высокочастотных полевых эмиссионных диодов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к приборам, содержащим полевые электронные катоды, и может быть использовано при создании плоских автоэмиссионных дисплеев для мониторов и телевизоров, не уступающих электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркости, магнетронов с безнакальным автокатодом, которые позволяют создавать современные и экономичные радары, высокочастотных полевых эмиссионных диодов.
Известен способ изготовления острийных автоэмиттеров на основе вольфрама с нанесенным слоем цезия различной толщины [1-4]. В данных работах работа выхода вольфрама (4,5 эВ) уменьшалась до 1,8-2 эВ при нанесении цезия в вакууме. Уменьшение работы выхода данной системы подразумевает возрастание эмиссионной эффективности. Однако такие данные в работах не были приведены. Не приводятся также данные по стабильности эмиттеров W-Cs.
Известен способ изготовления автоэлектронных катодов с локализованной эмиссией [5] путем нанесения на острие из тугоплавкого металла, например вольфрама, покрытия с меньшей работой выхода из двухкомпонентной пленочной системы металл подгруппы скандия - кислород. Известен также автоэлектронный эмиттер с локализованной эмиссией [6], выполненный в виде острия из тугоплавкого металла с присадкой элемента, образующего на поверхности пленку с низкой работой выхода, при этом пленка содержит по крайней мере один из элементов, взятых из группы литий, натрий, калий, цезий. Недостатком таких способов является нестабильность изготовляемых катодов.
Известен способ изготовления автоэмиттера на основе платины, покрытой тонким слоем полупроводника TiO2 n-типа [7]. Благодаря особой конфигурации электродов на порядок снижалось пороговое значение напряженности электрического поля по сравнению с традиционными катодами из вольфрама. Однако эмиссионный ток был нестабилен, и при незначительном увеличении электрического поля наблюдался пробой, что не позволяло достигнуть типичных значений тока для автоэмиссии из металла.
Известен автоэлектронный эмиттер [8], выбранный в качестве прототипа и выполненный в виде вольфрамового острия, на которое нанесен слой кварца с атомарным углеродом, и эмиттер представляет собой систему вольфрам-кварц-кварц с введенным углеродом. Известный эмиттер обладает недостаточной стабильностью и чувствительностью.
Заявляемый способ лишен указанных недостатков и техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности и стабильности полевого острийного катода на основе вольфрама.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления многослойного полевого эмиттера, состоящем в получении вольфрамового острия путем химического травления вольфрамовой нити щелочным раствором, закреплении вольфрамового острия в нагревательном элементе, очистке вольфрамового острия в вакууме путем прогрева до получения поликристаллической решетки чистого вольфрама и последующем напылении, напыление осуществляют последовательным нанесением слоя TiO2 толщиной не более двух монослоев, а затем слой Cs, толщиной не более монослоя, при этом осуществляют контроль за током эмиссии до максимального его значения 2-3 мкА при расстоянии от анода до вольфрамового острия в пределах 23-27 мм и напряжении между ними в пределах 6±0,5кВ.
Кроме того, толщину напыляемого слоя цезия корректируют по снижению работы выхода до значений 3-2,5 эВ.
Монослой полупроводника напыляется при контроле проекционной картины на люминофорном экране острийного эмиттера. Она хорошо известна для вольфрама [9] и почти не меняется при нанесении тонкого слоя TiO2. Известно, что электронное сродство TiO2 составляет 4,5 эВ [5], то есть практически совпадает с работой выхода вольфрама. Поскольку барьер Шотки на контакте этих материалов практически отсутствует, электроны из зоны проводимости вольфрама диффундируют в зону проводимости TiO2. При приложении внешнего поля, проникающего в тонкий слой полупроводника, электроны почти без потерь оказываются на границе с вакуумом. В этом случае работа выхода φ системы W-TiO2 составляет 4,3 эВ, что обеспечивает большую эффективность (чувствительность и стабильность) эмиттера W-TiO2 по сравнению с чистым вольфрамом. С целью дополнительного снижения работы выхода на границе с вакуумом на поверхность W-TiO2. наносится тонкий слой цезия, который снижает работу выхода всей системы W-TiO2-Cs до значений 3-2,5 эВ в зависимости от количества осажденного цезия. На Фиг.1а представлена энергетическая диаграмма созданного многослойного эмиттера W-TiO2-Cs, которая наглядно иллюстрирует характер прохождения электронов в вакуум. На Фиг.1б показано энергетическое распределение электронов системы W-TiO2-Cs, у которого максимум соответствует энергии Ферми вольфрама.
Пояснения расчетов приведенных величин приведены в приложении к данному описанию.
На Фиг.2 изображены вольт-амперные характеристики (ВАХ) автоэмиттеров (1 - W; 2 - W-TiO2; 3 - W-TiO2-Cs (2,5 эВ); 4 - W-TiO2-Cs (3,1 эВ)) в масштабе Фаулера-Нордгейма, измеренные в камере с непрерывной откачкой (давление 1×10-9 мм рт.ст.) при одинаковых геометрических параметрах. Из Фиг.2 видно, что наибольшую эффективность имеют W-TiO2-Cs катоды, чувствительность которых на 3 порядка выше, чем у вольфрамового эмиттера (таблица 1). В зависимости от толщины нанесенного цезия работа выхода системы W-TiO2-Cs может быть снижена до 2,5 эВ с получением более эффективной эмиссии (кривая 4 Фиг.2) или до 3,1 эВ с меньшей эффективностью (кривая 3 Фиг.2). Контроль количества напыляемого цезия на острие проводился по времени его экспозиции. Использовалось два режима напыления: около 30 мин и 5 мин. Направленное выделение цезия происходило из стандартного источника - лодочки ИЦО - 34-9, наполненной бихроматом цезия. При нагреве ее проходящим током (ток накала 1,7 А) вещество разлагалось с выделением чистого цезия.
| Таблица 1. | |||
Значение плотности тока для полевых эмиттеров W-TiO2-Cs и W при различных напряженностях электрического поля  . |
|||
 мкм |
|
|
|
| 1 | 256 | 777.7 | 0.39 |
| 2 | 274 | 2138.7 | 2.7 |
Приблизительная оценка количества напыляемого цезия позволяет заключить, что малое время напыления (~5 мин) соответствует небольшой доле монослоя цезия на поверхности острия, а длительное напыление (~30 мин) - близко к монослойному покрытию. Можно предположить, что во втором случае на поверхности находилось некоторое количество слабосвязанного цезия, который со временем мигрировал, что приводило к снижению стабильности эмиттера.
Как показали результаты исследований, более стабильная эмиссия наблюдается для эмиттеров W-TiO2-Cs с работой выхода ~3 эВ. Для таких эмиттеров на Фиг.3 изображены ВАХ при хранении их в камере с непрерывной откачкой в течение 15 дней (W - 1; W-Cs: 2-2 минуты; 3-35 минут; 4-9 суток. W-TiO2-Cs - 5: ◇ - 2 минуты; ○ - через сутки; * - 15 суток.). Для сравнения на Фиг.3 приведены ВАХ W-Cs эмиттеров при хранении в аналогичных условиях в течение 9 дней. Из Фиг.3 видно, что по эффективности эмиссии и по сохранению ее автокатоды W-TiO2-Cs имеют существенное преимущество по сравнению с W-Cs.
Заявляемый способ изготовления многослойного полевого острийного катода W-TiO2-Cs был опробован на базе исследовательских лабораторий Санкт-Петербургского государственного университета.
Пример 1. Оптимальная технология эмиттера
В камере с непрерывной откачкой при давлении остаточного газа порядка 10-9 мм рт.ст. проводили очистку поверхности острийного эмиттера из вольфрама путем пропускания тока через дужку, на которой он крепится. Режим прогрева был следующим:
| Iнакала, A | t, мин |
| 3,97 | 1 |
| 3,98 | 1 |
| 3,99 | 1 |
| 4 | 1 |
На люминесцентном экране, который служил анодом, путем приложения напряжения 6-8 кВ между острием и экраном получали проекционную картину. По известной картине чистой поверхности W острия добивались аналогичной картины в данном эксперименте. Измеряли зависимость тока эмиссии от приложенного напряжения (для оценки работы выхода - φ по ВАХ, порога эмиссии), для вольфрама ток эмиссии при 6,5 кВ составляет 0,06 мкА; работа выхода - 4,5 эВ. Далее проводили напыление TiO2 из лодочки при нагреве проходящим током (IH=1,3 A, время напыления - 5 мин), для этого при выключенном напряжении между катодом и анодом поворачивали острие в сторону источника TiO2. Проводили контроль проекционной картины для оценки толщины покрытия TiO2 (должна иметь место видимость проекционной картины вольфрама). После этого поворачивали острие в рабочее положение и измеряли ВАХ, сравнивая с ВАХ чистого вольфрама. Должно наблюдаться возрастание тока эмиссии до 0,31 мкА при напряжении 6,5 кВ. Выставляли значение напряжения между катодом и анодом порядка 6,5-6,6 кВ для контроля тока эмиссии и проведения экспозиции цезия (IH=1,7 A) при контроле тока эмиссии. При достижении тока эмиссии порядка 2-3 мкА прекращали поток цезия. Это соответствует времени экспозиции около 3 мин. Ток эмиссии возрастал на 2 порядка по сравнению с чистым вольфрамом. После этого выключали напряжение между катодом и анодом и проводили контроль сохранения чувствительности катода:
измеряли ВАХ через определенные промежутки времени при непрерывной откачке камеры (Фиг.3).
По контролю сохранения чувствительности катода (Фиг.3) видно, что чувствительность катода W-TiO2-Cs на два порядка выше по сравнению с чувствительностью вольфрамового катода, а его стабильность сохраняется, при непрерывной откачке, до 15 суток и более.
Пример 2. Избыточное нанесение цезия
В камере с непрерывной откачкой при давлении остаточного газа порядка 10-9 мм рт.ст проводили очистку поверхности острийного эмиттера из вольфрама путем пропускания тока через дужку, на которой он крепится. Режим прогрева был следующим:
| Iнакала, A | t, мин |
| 3,97 | 1 |
| 3,98 | 1 |
| 3,99 | 1 |
| 4 | 1 |
На люминесцентном экране, который служил анодом, путем приложения напряжения 6-8 кВ между острием и экраном получали проекционную картину. По известной картине чистой поверхности W острия добивались аналогичной картины в данном эксперименте. Измеряли зависимость тока эмиссии от приложенного напряжения (для оценки работы выхода - φ по ВАХ, порога эмиссии), для вольфрама ток эмиссии при 6,5 кВ составляет 0,06 мкА; работа выхода - 4,5 эВ. Далее проводили напыление TiO2 из лодочки при нагреве проходящим током (IH=1,3 A, время напыления - 5 мин), для этого при выключенном напряжении между катодом и анодом поворачивали острие в сторону источника TiO2. Проводили контроль проекционной картины для оценки толщины покрытия TiO2 (должна иметь место видимость проекционной картины вольфрама). После этого поворачивали острие в рабочее положение и измеряли ВАХ, сравнивая с ВАХ чистого вольфрама. Должно наблюдаться возрастание тока эмиссии до 0,31 мкА при напряжении 6,5 кВ. Выставляли значение напряжения между катодом и анодом порядка 6,5-6,6 кВ для контроля тока эмиссии и проведения экспозиции цезия (IH=1,7 A) при контроле тока эмиссии. При достижении тока эмиссии порядка 11-12 мкА прекращали поток цезия. Это соответствует времени экспозиции около 30 мин. Ток эмиссии возрастает почти на 3 порядка по сравнению с чистым вольфрамом (см. табл.1). Ток эмиссии чистого вольфрама при 6 кВ составляет 0,022 мкА, а ток эмиссии системы W-TiO2-Cs при 6 кВ составляет 12 мкА. После этого выключали напряжение между катодом и анодом и проводили контроль сохранения чувствительности катода, измеряя ВАХ через определенные промежутки времени при непрерывной откачке камеры:
| Таблица 2 | |
| Ток эмиссии при напряжении между катодом и анодом 6 кВ во время хранения катода. | |
| Время хранения, сутки | I, мкА |
| После изготовления | 12 |
| 1 | 1,4 |
| 2 | 0,81 |
| 7 | 0,52 |
| 8 | 0,56 |
| 10 | 0,47 |
Таким образом, из примера 2 (при избыточном цезии) видно, что чувствительность катода W-TiO2-Cs на три порядка выше по сравнению с чувствительностью вольфрамового катода, но его чувствительность падает при хранении почти в 20 раз с небольшой стабилизацией через неделю хранения.
Заявляемый способ изготовления многослойного полевого острийного катода W-TiO2-Cs имеет более высокую и стабильную эмиссию с уменьшением порогового значения напряженности электрического поля вдвое по сравнению с традиционным острийным катодом W.
Заявленный многослойный полевой эмиссионный катод может улучшить параметры таких приборов как, например, плоские автоэмиссионные дисплеи для мониторов и телевизоров, не уступающих электронно-лучевым дисплеям по разрешению и яркостью, магнетроны с безнакальным автокатодом, которые позволяют создавать современные и экономичные радары, высокочастотные полевые эмиссионные диоды и др.
Источники информации
1. Клименко Е.В., Наумовец А.Г. // ФТТ, 13, 33, 1971.
2. Гаврилюк В.М., Наумовец А.Г., Федорус А.Г. ЖЭТФ, 51, 1332, 1966.
3. Макуха В.И. // ФТТ, 9, 150, 1967.
4. Овчинников А.П., Царев Б.М. // ФТТ, 8, 1493, 1966.
5. SU 439028.
6. SU 1069029.
7. Vu Thien Binh and Ch. Adessi, Phys. Rev. Lett. 85, 864 (2000).
8. SU 118913 (прототип) - 20.
9. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.
1. Способ изготовления многослойного полевого эмиттера, состоящий в получении вольфрамового острия путем химического травления вольфрамовой нити щелочным раствором, закреплении вольфрамового острия в нагревательном элементе, очистки вольфрамового острия в вакууме путем прогрева до получения поликристаллической решетки чистого вольфрама и последующем напылении, отличающийся тем, что напыление осуществляют последовательным нанесением слоя TiO2 толщиной не более двух монослоев, а затем слоя Cs, толщиной не более монослоя, при этом осуществляют контроль за током эмиссии до максимального его значения 2-3 мкА при расстоянии от анода до вольфрамового острия в пределах 23-27 мм и напряжении между ними в пределах 6±0,5 кВ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину напыляемого слоя цезия корректируют по снижению работы выхода до значений 3-2,5 эВ.
