Эмиссионные свойства и структура поверхности терморасширенного графита

• Автор: Никольский, Константин Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ГЛАВА 1. ТЕРМОРАСШИРЕННЫЙ ГРАФИТ
НОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АВТОЭМИССИИ
1.1. Углеродные автокатоды и особенности их структуры
1.2. Эмиссионные свойства углеродных волокон
1.3. Наноструктурированные углеродные материалы
1.4. Требования, предъявляемые к углеродным материалам
для автоэмиссии
1.5. Терморасширенный графит
1.6. Анализ современного состояния автокатодов для плоских экранов
Краткие выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА АВТОЭМИССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
2.1. Применение теории Фаулера-Нордгейма к многоэмиттерным катодам
2.2. Оборудование для проведения автоэмиссионных испытаний
2.3. Артефакты, возникающие при измерении вольт-амперных характеристик
Влияние паразитной электрической емкости
Влияние паразитных сопротивлений
Влияние шума аналого-цифрового преобразователя
2.4. Долговременные испытания автоэмиссионных катодов
Краткие выводы

ГЛАВА 3. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭМИССИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОКАТОДА ИЗ ТРГ
3.1. Исследования структуры ТРГ фольги
3.2. Эмиссионные свойства ТРГ фольги
3.3. Формирование эмиссионных центров при помощи лазера
3.4. Эмиссионные характеристики автокатодов из ТРГ графита
Долговременная стабильность
Предельно достижимые плотности тока катодов из ТРГ
Зависимость рабочего напряжения катода из ТРГ от межэлекгродного расстояния
Краткие выводы
Г Л А В А 4. СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ АВТОЭМИССИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК АЭК НА ОСНОВЕ ТРГ
4.1. Снижение работы выхода электронов материала автокатода
4.2. Тренировка автокатодов из терморасширенного графита
4.3. "Эффект кольца" при интенсивной автоэлектронной эмиссии
и возможности его практического использования
4.4. Практическое использование АЭК на основе ТРГ
Краткие выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы
Первые исследования возможности использования углеродных материалов в качестве автокатодов были проведены около 35 лет назад [1 ]. Они состояли в изучении автоэмиссионных свойств углеродных волокон. Последующие исследования показали перспективность автоэлектронных катодов (АЭК) из углеродных волокон материалов для работы в условиях высокого технического вакуума (Ю^-КГ7 Topp). В последующие два десятилетия углеродные материалы начали широко использоваться для разработки автоэмиссионных катодов. В качестве АЭК были опробованы различные типы углеродных волокон [2,3], пиролитические графиты [4], мелкопористые графиты [5] и другие углеродные материалы [6]. Практически сразу с момента обнаружения нанотрубок в 1991 году [7] было выявлено [8,9], что они обладают уникальными эмиссионными свойствами. Автокатоды на их основе получили широкое распространение [10,11,12]. Таким образом, к настоящему времени исследован достаточно широкий спектр углеродных материалов для использования в качестве автокатодов.
На основе углеродных АЭК были разработаны и созданы катодные узлы и электронные пушки для различных приборов электронной техники [13,14]. В последнее время ведутся интенсивные разработки плоских источников света и плоских дисплейных экранов [15]. Для таких приборов необходимы плоские автокатоды с большой площадью рабочей поверхности (от нескольких кв. см до нескольких десятков, а то и сотен кв. см). Несмотря на то, что многие углеродные материалы хорошо подходят на роль АЭК, изготовление на их основе подобного катода представляет большие трудности. Один из путей решения этой проблемы — приготовление порошков из углеродных волокон, нанотрубок или других графитов с их последующим нанесением на поверхность катода с помощью различных методов: трафаретной печати (шелкографии), электрофореза, электрохимического осаждения, аэрозольного напыления и т.п. Однако, этому пути присущ ряд недостатков: добавление в порошок составов, обусловленных технологией нанесения, которые в технологическом цикле могут вступать в неконтролируемые химические реакции с углеродным порошком; отсутствие достаточной повторяемости геометрических параметров катодов на выходе; снижение эмиссионной способности

На основании проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:
• Одной из возможных причин наличия перегиба на ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма является неидеальность измерительного стенда.
• Искажения, вносимые измерительным стендом в характеристики можно разделить на два класса. Первый — это искажения, вызванные особенностями измерительного стенда и прибора в котором происходят измерения. Второй класс — это искажения появляющиеся при отцифровке сигналов.
• Необходимо научиться определять параметры прибора и стенда, которые вызывают искажения первого класса (паразитные сопротивления и ёмкости). При дальнейшем анализе характеристик эти искажения необходимо компенсировать.
• Для устранения влияния шума АЦП, связанного с дискретностью его значений, необходимо начинать снятие характеристики с тока, превышающего значения одного отсчета АЦП на порядок. Данные в более низкой токовой области нельзя считать корректными и использовать для анализа.
2.3. Долговременные испытания автоэмиссионных катодов
Различные методики долговременных испытаний
В настоящее время существует две основные методики изучения стабильности автоэмиссионного тока в течение длительного промежутка времени. Первая из них [96] состоит в периодическом измерении тока при фиксированном уровне напряжения. Однако данная методика плохо применима для изучения эмиссионных свойств катодов из углеродных материалов, что связано с сильной нестабильностью параметров данного типа катодов во времени [97]. В силу большой крутизны вольт-амперной характеристики даже незначительные изменения напряжения могут привести к существенным флуктуациям тока.
При проведении долговременных испытаний катода в таком режиме обычно происходит быстрое падение значения тока практически до нуля, вызванные деградацией катода, и дальнейшие испытания не имеют смысла (см. рисунок 2.15).