Эмиссионные свойства автокатодов на основе углеродных наноструктурированных материалов

• Автор: Бормашов, Виталий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 165 с. : ил.

ГЛАВА 1. Планарные автокатоды на основе углеродных наноструктурированных материалов. Обзор современного состояния

1.1. Наноструктурированные углеродные материалы

1.2. Методы синтеза углеродных наноструктур

1.2.1. Термическое разложение графита в дуговом разряде

1.2.2. Химическое осаждение из газовой фазы

1.2.3. Метод лазерного испарения

1.3. Автоэлектронная эмиссия из углеродных наноструктур

1.4. Особенности работы автокатодов из углеродных наноматериалов в условиях технического вакуума

1.5. Анализ современного состояния планарных автокатодов большой площади

ГЛАВА 2. Методы и техника эксперимента

2.1. Особенности измерения и анализа вольт-амперных характеристик

2.1.1. Применение теории Фаулера-Нордгейма для многоэмиттерных систем
2.1.2. Способы измерения вольт-амперных характеристик и их
особенности
2.1.3. Корректный метод численного анализа вольт-амперных характеристик
2.2. Методы проведения долговременных автоэмиссионных испытаний и
анализа экспериментальных данных
2.2.1. Анализ динамики изменения ВАХ
2.2.2. Оценка числа эмиссионных центров из анализа флуктуаций автоэмиссионного тока
2.3. Оценка равномерности эмиссии с поверхности автокатода
2.4. Разработанный алгоритм сбора и предварительной обработки экспериментальных данных
2.5. Измерительный стенд
2.6. Конструкция пробников для испытаний
2.7. Показатели эффективности автокатодов
ГЛАВА 3. Использование методов зондовой микроскопии для исследования физикохимических свойств поверхности автокатодов
3.1. Обзор основных методов СЗМ, применяемых для исследования физикохимических свойств поверхности автокатодов
3.1.1. Исследование топографии поверхности автокатода
3.1.2. Исследование распределения работы выхода электрона по поверхности автокатода

3.1.3. Исследование упругих свойств нанообъектов
3.2. Численное моделирование работы СЗМ в динамическом режиме
3.2.1. Трудности количественной интерпретации данных, полученных с помощью динамических методов СЗМ
3.2.2. Численное моделирование движения кантилевера
3.2.3. Параметры разработанной модели
3.2.4. Апробация разработанной модели
3.3. Методика исследования поверхности автокатода
ГЛАВА 4. Особенности автоэлектронной эмиссии из углеродных наноструктурированных материалов
4.1. Механизмы деградации автокатодов из углеродных наноматериалов
4.2. Переходные процессы при включении-выключении автокатода
4.2.1. Предлагаемая модель процессов адсорбции-десорбции газов на поверхности автокатода из углеродных нанотрубок
4.2.2. Результаты экспериментов. Проверка корректности разработанной модели
4.3. Долговременный участок деградации автокатодов
4.3.1. Модель долговременного участка деградации автокатода
4.3.2. Апробация разработанной модели
ГЛАВА 5. Перспективы использования углерод-азотных нановолокон в качестве материала для автокатодов
5.1. Углерод-азотные нановолокона. Синтез и основные характеристики
5.2. Методы изготовления автокатодов на основе углерод-азотных нановолокон
5.2.1. Метод трафаретной печати
5.2.2. Осаждение на графитовую подложку
5.2.3. Рост на графитовой подложке
5.3. Эмиссионные свойства автокатодов из углерод-азотных нановолокон
5.3.1. Автокатоды, полученные методом печати
5.3.2. Автокатоды, полученные осаждением углерод-азотных нановолокон на подложку
5.3.3. Автокатоды, полученные путем катализаторного роста углерод-азотных нановолокон на подложке
5.4. Примеры практического использования автокатодов из углерод-азотных наноматериалов
5.4.1. Статические индикаторы
5.4.2. Дисплеи низкого разрешения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы
Разнообразные наноструктурированные углеродные материалы были открыты сравнительно недавно [1, 2] и представляют собой аллотропные формы углерода, для которых хотя бы один из линейных размеров составляет несколько нанометров. Уникальные механические свойства, высокая стабильность и химическая инертность, необычные электронные и оптические свойства нано-углеродных материалов представляют не только фундаментальный научный, но и значительный практический интерес, особенно в сфере нанотехнологии. В последнее время пристальное внимание привлекают к себе исследования автоэлектронной эмиссии из углеродных наноматериалов, отличительной особенностью которых является аномально низкое значение напряжения, требуемое для возникновения заметных эмиссионных токов [3, 4]. Автоэмиссионные катоды (АЭК) на их основе получили широкое распространение [5, 6, 7], были разработаны и созданы катодные узлы и электронные пушки для различных приборов электронной техники [8, 9, 10].
В настоящее время одним из перспективных направлений развития светоизлучающих приборов является разработка плоских источников света и дисплейных экранов [11]. Их главное отличие от традиционных вакуумных ламп -большие линейные размеры катодной и анодной пластин, на порядок превосходящие 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 [12], равномерное распределение эмиссионных центров на поверхности автокатодов. Кроме этого, технология изготовления автокатода должна предполагать возможность получения АЭК различной площади от нескольких квадратных миллиметров до десятков или даже сотен квадратных сантиметров.
Несмотря на то, что многие углеродные материалы хорошо подходят на роль АЭК, на сегодняшний день задача по разработке технологии изготовления подобного плоского автокатода еще не решена. В настоящее время планарные автокатоды, полученные на основе углеродных наноструктур, не лишены некоторых недостатков, таких как: низкая равномерность углеродного слоя, низкое значение форм-фактора, неоднородность и нестабильность эмиссионного тока, невысокая долговечность при работе в техническом вакууме.
Существуют две существенно разные причины деградации катода [13]. Первая из них это ухудшение эмиссионных свойств одиночного эмиссионного

На рисунке 2.14 показаны графики зависимости числа центров от соотношения 77Д1. При этом приведено значение реального количества эмиссионных центров, которое было взято для моделирования.
Из представленных графиков видно, что корректное число центров получается при отношении 7/тах(1/р;1/а) порядка 103. Однако можно заметить, что это соотношение также зависит от числа центров, причем пропорционально /V, где N - число центров, которое было взято для моделирования. Поэтому заранее довольно трудно определить, с каким соотношением Г/тах(1/|1;1/а) необходимо проводить эксперимент, так как неизвестно количество эмиссионных центров. Однако видно, что если мы возьмем соотношение с запасом, то есть больше чем Л/, то результат не ухудшится. Поэтому при дальнейшем использовании методики это соотношение принималось равным 103.
2.0x10* 4,0x10* 6,0x10*
1.0x10' 1.2x10'
а) среднее число центров 1000
2,0x10* 4,0x10* 6.0x10* 8,0x10’ 1,0x10*
Т/Д1
б) среднее число центров
Рис. 2.14. Зависимость определяемого числа центров от времени, за которое проводилось усреднение. Сплошной линией показано реальное количество центров.
Теперь зная соотношение Т/М, для непосредственного определения времени усреднения необходимо определить характерное время «ступенек» эмиссионного тока. Для этой цели в нашей лаборатории использовался осциллограф, с помощью которого в начале каждого эксперимента определялось это время. Обычно оно составляло порядка 10 мкс. Поэтому время усреднения необходимое для корректного определения числа центров выбиралось порядка нескольких секунд (обычно принималось 10 с).
Автором была произведена апробация данного метода анализа экспериментальных данных. В качестве испытуемого использовался АЭК, изготовленный электрофоретическим методом из углеродных нанотрубок. Испытания катода проводились в следующем режиме. Общее время испытаний составило примерно 15 часов. В течение всего эксперимента катод работал в режиме постоянного напряжения. Начальный уровень эмиссионного тока был