Структура поверхности и эмиссионные свойства плоских автокатодов на основе углеродных материалов

• Автор: Чесов, Роман Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 138 с. : ил.

1. АВТОКАТОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Углеродные волокна

Эмиссионные свойства углеродных волокон

Конструкционные углеродные материалы -|з

Эмиссионные свойства конструкционных углеродных материалов

Углеродные наноматериалы

Эмиссионные свойства наноструктур

Приборы на основе автокатодов из углеродных материалов

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ И АНАЛИЗ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК

Геометрия одиночного эмиссионного центра зо
Моделирование усиления электрического поля
Измерительный стенд
Анализ вольтамперной характеристики
Влияние токовых утечек и сопротивления подложки на вольтамперную характеристику катода.

. 3. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТОПОГРАФИЯ ПОВЕРХНОСТИ.
ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЛОСКИХ АВТОКАТОДОВ
Автокатоды из молотых углеродных волокон. Структура поверхности и их эмиссионные свойства
Изготовление углеродных порошков Методика печати
Электрофоретическое нанесение углеродного порошка Автоэмиссионные свойства катодов из молотых углеродных волокон Автокатоды, изготовленные из углеродных нанотрубок Изготовление автокатодов Автоэмиссионные испытания
Влияние процессов адсорбции-десорбции на эмиссионные свойства автокатодов из углеродных нанотрубок
Автокатод на основе МПГ
4. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Тренировка плоских автокатодов Экспериментальная установка Тренировка автокатода
Снижение работы выхода углеродного автокатода Внедрение солей бария в структуру графита МПГ-6 Допирование углеродных нанотрубок Магнитное ориентирование углеродных волокон
. 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы
Автоэлектронные катоды имеют ряд существенных преимуществ перед термоэлектронными катодами, которые широко применяются для создания электровакуумных приборов. Основным преимуществом является отсутствие накала, и, как следствие, дополнительных затрат энергии для получения свободных электронов, высокая плотность тока, безинерционность.
Автоэлектронные катоды (АЭК) являются перспективными источниками свободных электронов, используемых при создании катодолюминесцентных светоизлучающих элементов [1,2,3]. Одним из направлений развития катодолюминесцентных светоизлучающих приборов являются плоские катодолюминесцентные лампы и плоские дисплеи. Главное отличие от традиционных вакуумных ламп - это на порядок превосходящие линейные размеры катодной и анодной пластин расстояние анод-катод. Автокатоды для таких приборов должны обладать рядом специфических свойств: оптимальная структура поверхности, которая обеспечивает значительное усиление электрического поля, низкая работа выходов электронов, совместимость с технологией производства вакуумных приборов [4], равномерное распределение эмиссионных центров на поверхности автокатодов. Кроме этого, технология изготовления автокатода должна предполагать возможность получения автокатодов различной площади от нескольких квадратных миллиметров до десятков или даже сотен квадратных сантиметров.
На сегодняшний день разработаны технологии изготовления матриц спин-дтовских автокатодов [5]. На их основе созданы плоские дисплеи [6]. Основными недостатками таких приборов являются технологические сложности, связанные с увеличением площади автокатода, и высокая конечная стоимость. Поэтому необходим поиск материалов и разработка более дешевых методов изготовления плоских АЭК. Как известно, на плотность автоэмиссионного тока сильно влияет изменение микрогеометрии катода и состояния его поверхности. Во время работы автокатода в приборе, т.е. в условиях технического вакуума, на его поверхности происходят физические процессы, такие как: ионная бомбардировка, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, локальный перегрев, что приводит к значительному изменению параметров автокатода. Следовательно, материал автокатода должен обладать низкой работой выхода электронов, топографией поверхности, позволяющей получить значительное усиление электрического поля, постоянным числом эмиссионных центров.
Перспективным материалом для эффективных плоских АЭК являются углеродные материалы. Все современные автокатоды на их основе можно разделить на два больших класса. К первому относятся автокатоды, изготовленные из материалов промышленного производства [7]. Второй класс объединяет

(1) — линейный вид характеристики сопротивление утечки равно бескоенчности;
(2) — вольтамперная характеристика с учетом сопротивления утечки 10 ГОм;
(3) — вольтамперная характеристика с учетом сопротивления утечки 1 ГОм;
(4) — вольтамперная характеристика с учетом сопротивления утечки 100 МОм;
(5) — вольтамперная характеристика с учетом сопротивления утечки
10 МОм;
Рис. 2.17 Вид вольтамперных характеристик с учетом сопротивления утечки.
Ч; ' ' ' ' 5
Ч 4
3
■ 2
1
0.0030 0.0035
1/и, В
В заключение этой главы можно сделать следующие выводы:
Во-первых, математическое моделирование топографии поверхности плоского АЭК позволило определить оптимальные размеры углеродных частиц, формирующих поверхность АЭК. Радиус закругления должен быть менее 100 нм, а длина должна превосходить радиус в 30 раз, расстояние между частицами должно превышать их длину.
Было установлено, что вид вольтамперной характеристики определяется свойствами отдельных эмиссионных центров, формирующих поверхность плоского АЭК. Вольтамперная характеристика, построенная в координатах Фаулера-Нордгейма, не является прямой при условии, что автокатод состоит из эмиссионных центров, работа выхода электронов которых отличается на 0,7-0,8 эВ. При этом площадь эмитирующих центров с большей работой выхода электронов должна превосходить площадь эмитирующей поверхности центров с меньшей работой выхода электронов на 3-4 порядка.
Было показано, что особенности, связанные с испытаниями плоских АЭК могут влиять на вид вольтамперной характеристики. К таким особенностям относятся сопротивление катодной подложки, высокоомные утечки, сопротивление контактов.