Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Автокатоды на основе углеродных материалов 8
-
Общие сведения об углеродных материалах 8
-
Углеродные волокна 12
-
Конструкционные материалы 14
-
Углеродные наноматериалы 17
-
Требования, предъявляемые к материалам для плоских автоэмиссионных катодов большой площади рабочей поверхности 21
-
Терморасширенный графит 22
-
Автоэмиссионные приборы на основе автокатодов из углеродных материалов 26
1.8. Выводы 34
ГЛАВА 2. Методика экспериментов 35
2.1. Оборудование для проведения автоэмиссионных испытаний 35
Вакуумное оборудование 35
Установка лазерной сварки "КВАНТ-15" 38
Установка лазерной маркировки "КВАНТ -60М" 40
Измерительный стенд 44
-
Методики долговременных исследований автоэмиссионных катодов 46
-
Методика проведений исследований в автоматическом режиме 50
-
Проблемы, возникающие при измерении вольт-амперных характеристик 54
2.5. Выводы 56
ГЛАВА 3. Эмиссионные свойства фольг из терморасширенного
графита 58
-
Введение 58
-
Исследования структуры и автоэмиссионных свойств фольг, у которых рельеф поверхности создавался с помощью установки "КВАНТ-15" 58
-
Методы улучшения автоэмиссионных характеристик 68
-
Автоэмиссионные свойства легированных образцов 71
-
Модель деградации автокатода из легированной барием фольги в начальный период работы (до 100 часов) 75
-
Исследование структуры и автоэмиссионных свойств фольг, с рельефом поверхности, созданным с помощью
установки "КВАНТ-60М" 78
Катод первого типа 80
Катод второго типа 81
Катод третьего типа 85
Катод четвертого типа 86
3.7. Выводы 87
ГЛАВА 4. Практическое использование автокатодов на основе
графитовых фольг 88
-
Введение 88
-
Плоские источники света 88
-
Макет плоского дисплейного экрана 90
-
Выводы 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 93
ЛИТЕРАТУРА 94
Введение к работе
Приборы на основе автокатодов имеют ряд существенных преимуществ над аналогичными устройствами из термокатодов: высокая плотность тока эмиссии, отсутствие накала, устойчивость тока к колебаниям температуры в широком диапазоне, нечувствительность тока к внешней радиации, безынерционность отклика тока на изменение напряжения.
Первые исследования на предмет использования углеродных материалов в качестве автоэмиссионных катодов (АЭК) относятся к 1972 году [1]. Эта работа была посвящена изучению автоэмиссионных свойств углеродных волокон. Дальнейшие исследования показали перспективность применения АЭК на основе углеродных волокон в условиях технического вакуума (1С)"6 -10"7Торр). В дальнейшем углеродные материалы начали широко использоваться для разработки АЭК: были опробованы различные типы волокон [2], различные графиты [3], углеродные нанотрубки [4] и другие углеродные материалы [5].
На основе углеродных АЭК разработан целый спектр приборов: в [6] приведен пример электровакуумного усилителя на основе АЭК из углеродных нанотрубок; в [7] приведен пример использования АЭК (в качестве материала катода опробованы углеродные волокна и нанотрубки) в рентгеноскопии. Утверждается, что именно благодаря замене термокатода на автоэмиссионный катод удалось существенно уменьшить размер прибора, а также сократить его энергопотребление.
Основные разработки, связанные с прикладным применением АЭК, в последние несколько лет связаны с двумя направлениями: плоские автоэмиссионные дисплейные экраны и эффективные источники света.
Для таких приборов необходимы катоды с большим сроком службы и относительно простой технологией изготовления. Вместе с тем следует отметить, что хотя многие углеродные материалы хорошо подходят на роль АЭК, но изготовление на их основе катодов, которые необходимы для плоских дисплеев, представляет большие трудности. Прежде всего это связано, с тем, что АЭК должен обладать большой площадью рабочей поверхности (от десятков до сотен кв. сантиметров), с однородной ее структурой. Предлагается использовать для приложений автоэмиссии новый материал, который распространен в промышленных масштабах и обладает указанным требованиям, но для изготовления АЭК ранее не применялся.
Задача диссертационной работы заключается в разработке такого материала в классе фольг терморасширенного графита и разработки новых технологичных методов изготовления АЭК большой площади из таких материалов.
Цель работы: Разработка и создание материалов в классе графитовых фольг, подходящих для изготовления плоских автоэмиссионных катодов большой площади рабочей поверхности, а так же разработка новых методов формирования эффективного для автоэмиссии рельефа поверхности фольг.
В процессе работы требовалось решить следующие задачи:
Провести анализ литературных данных по углеродным материалам, используемым в автоэмиссии, сделать сравнительный анализ их эмиссионных характеристик и на его основе сформировать техническое задание на изготовление материала с оптимальными, с точки зрения автоэмиссии, параметрами.
Провести исследование автоэмиссионных свойств различных типов фольг, изготовленных по сформулированному техническому заданию.
Изучить возможности улучшения эмиссионных свойств фольг с помощью легирования их щелочными металлами.
Провести исследование новых способов формирования эмиссионных центров на поверхности фольги и произвести выбор оптимального рельефа для автоэмиссии на ее поверхности.
Провести анализ возможных областей применения катодов из графитовых фольг и разработать макеты плоского источника света и элемента плоского дисплейного экрана на их основе.
Научная новизна работы состоит в следующем: в диссертации впервые предложены новые материалы в классе графитовых фольг, исследованы их эмиссионные свойства и предложена новая методика формирования эмиссионных центров на поверхности катода при помощи лазерного излучения.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обоснование требований к углеродным материалам, используемым для изготовления автоэмиссионных катодов большой площади с однородными свойствами рабочей поверхности.
Необходимость осуществления термической обработки графитовых фольг в вакууме при 1000С перед изготовлением на ее основе плоских автоэмиссионных катодов с целью повышения стабильности автокатодов.
Новый способ формирования эмиссионных центров на поверхности фольги с помощью импульсного лазерного излучения. Рельеф в виде кратеров диаметром 60 мкм с расстоянием между краями кратера 60 мкм - оптимальный рельеф поверхности фольги для автоэмиссионных приложений.
Новая методика легирования графитовых фольг барием, позволяющая снизить рабочее напряжение автокатодов на их основе, более чем в два раза.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при разработке и создании приборов автоэмиссионной электроники. Представляется возможным изготовление различных устройств, таких как плоские дисплейные экраны, источники света, в которых можно использовать автокатоды на основе графитовых фольг.
Внедрение результатов работы: научные результаты диссертации могут быть использованы в ведущих российских научных организациях, которые занимаются исследованиями в области вакуумной и автоэмиссионной электроники. Это: ИРЭ РАН, НИИ Волга, НИИ Платан, НИИФП, ИОФАН.
Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на: 1. 18th International Vacuum Nanoelectronics Conference (18ой Международной Конференции по Наноэлектронике), Оксфорд, Англия, 10 -И4 июля 2005 г.
2. International Workshop on Surface Physics 2005 (Международном симпозиуме no физике поверхности),
Поланица Здрой, Польша, 10 ^ 13 сентября 2005 г.
9th international Conference "Hydrogen Materials Science & Chemistry of Carbon Nanomaterials" (9ой Международной Конференции "Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов "), Севастополь, Крым, Украина, 5-11 сентября 2005 г.
4-ой Международной конференции "Углерод фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология",
Москва, 26 * 28 октября 2005 г.
5. 48-й Научной конференции Московского физико-технического института, Москва, 25 * 26 ноября, 2005 г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, объем диссертации составляет 104 страницы.
