Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АВТОКАТОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ 8
Углеродные волокна 9
Эмиссионные свойства углеродных волокон 11
Конструкционные углеродные материалы 13
Эмиссионные свойства конструкционных углеродных материалов \
Углеродные наноматериалы 13
Эмиссионные свойства наноструктур 21
Приборы на основе автокатодов из углеродных материалов 22
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ И АНАЛИЗ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ 29
ХАРАКТЕРИСТИК
Геометрия одиночного эмиссионного центра 30
Моделирование усиления электрического поля 33
Измерительный стенд 36
Анализ вольтамперной характеристики 38
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 52
Методика печати 56
Электрофоретическое нанесение углеродного порошка 61
Автоэмиссионные свойства катодов из молотых углеродных волокон 68
Автокатоды, изготовленные из углеродных нанотрубок 73
Изготовление автокатодов 74
Автоэмиссионные испытания 75
Влияние процессов адсорбции-десорбции на эмиссионные свойства автокатодов из углеродных нанотрубок
Авто катод на основе МПГ-6 92
4. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭМИССИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Тренировка плоских автокатодов 96
Экспериментальная установка 98
Тренировка автокатода 100
Снижение работы выхода углеродного автокатода 105
Внедрение солей бария в структуру графита МПГ-6 106
Допирование углеродных нанотрубок 120
Магнитное ориентирование углеродных волокон 122
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
-
ЛИТЕРАТУРА 133
Введение к работе
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, без инерционность.
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 катодолюми-несцентные 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 непосредственно сформированные автокатодные структуры, в основном методами газофазного осаждения (CVD) [8].
Важнейшим условием широкого применения плоских автокатодов на основе углеродных материалов являются низкие рабочие напряжения, высокая плотность эмиссионного тока, равномерность распределения эмиссионных центров. На сегодняшний день наиболее технологичным подходом является нанесение углеродного порошка на катодную подложку. Эмиссионные характеристики таких автокатодов будут определяться как свойствами исходного углеродного порошка (характерный размер частиц), так и методом нанесения, определяющим структуру поверхности полученного катода. Перспективными методиками получения углеродного слоя на подложке являются метод печати [9], электрофоретическое нанесение [10]. В настоящее время катоды, полученные с их помощью, 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.
Одним из недостатков автокатодов из углеродных материалов является высокое рабочее напряжение. Однако существуют способы снижения рабочих напряжений, которые можно разделить на две основные группы: это технологические и физико-химические. Первые (это уменьшение расстояния катод-вытягивающий электрод) приводят к значительному увеличению конечной стоимости прибора. Поэтому существует необходимость в дополнение технологических способов производства автокатодов различными физико-химическими методами обработки поверхности АЭК: тренировка углеродных материалов, направленная на развитие эмиссионной структуры поверхности автокатода [11], допирование щелочными или щелочноземельными металлами, направленное на снижение работы выхода электронов.
Цель работы и основные задачи
Таким образом, на сегодняшний день не решена задача по разработке дешевой технологии изготовления плоского автокатода из углеродных материалов. Большинство автокатодов имеют такие недостатки, как недолговечность и высокие рабочие напряжения. Поэтому основная цель данной работы состоит в разработке методик изготовления плоских автокатодов из углеродных материалов, изучении их структуры поверхности, установлении физических особенностей автоэлектронной эмиссии катодов, полученных различными методами осаждения с использованием различных углеродных материалов. Необходим поиск путей улучшения эмиссионных свойств автокатодов, например применение методики формовки плоского автокатода, использование магнитного поля для получения катодной структуры с ориентированными частицами, разработка методики снижения работы выхода электронов углеродных автокатодов.
Были поставлены следующие основные научно-технические задачи:
Разработать методики изготовления плоских автокатодов на основе углеродных волокон и углеродных нанотрубок.
Изучить структурные и эмиссионные особенности полученных автокатодов.
Изучить особенности автоэлектронной эмиссии автокатода из углеродных нанотрубок в условиях технического вакуума.
Разработать методы улучшения эмиссионных свойств плоских автокатодов:
Научная новизна:
В диссертации впервые предложено использовать помол углеродного волокна для получения углеродных частиц, позволяющих создать оптимальную структуру поверхности плоского АЭК.
Впервые апробирован способ ориентации углеродных частиц магнитным полем. Этот способ позволяет значительно улучшить эмиссионные свойства плоских АЭК.
Предложен новый метод формовки плоских автокатодов, позволяющий значительно улучшить автоэмиссионные свойства, в том числе равномерность распределения эмиссионных центров на поверхности катода.
В работе впервые предлагается внедрение бария в структуру графита и углеродных нанотрубок с целью снижения работы выхода электронов.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Методики изготовления плоских автокатодов с использованием молотых углеродных волокон. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства полученных АЭК.
Способ улучшения эмиссионных свойств автокатода, изготовленного из молотых углеродных волокон. Этот способ основан на ориентации магнитным полем осаждаемых углеродных частиц.
Способы изготовления и эмиссионные свойства плоских автокатодов на основе углеродных нанотрубок. Исследование долговременной стабильности. Модель, описывающая физические особенности автоэлектронной эмиссии в условиях технического вакуума.
Методика формовки плоских автокатодов. Схема установки и результаты формовки автокатода, изготовленного из углеродных нанотрубок, Результаты показывают эффективность данного метода.
Методика внедрения бария в структуру графита (МПГ-6). Исследования до-пированных автокатодов при помощи оже - спектрометра и растрового электронного микроскопа. Автоэмиссионные характеристики катодов, подтверждающие улучшение эмиссионных свойств.
Практическая значимость работы
Основная ценность представляемой работы заключается в развитии методов изготовления плоских автоэмиссионных катодов. Полученные результаты позволяют определить наиболее оптимальный подход при разработке автоэмиссионных катодов. Проведенные работы по моделированию структуры поверхности и реализации подобных структур при помощи методик осаждения углеродных частиц на катодную подложку показали перспективность данного подхода в создании приборов вакуумной электроники.
Полученные результаты могут быть использованы для создания плоских автоэмиссионных дисплеев, а также высокоэффективных катодолюминесцент-ных источников света. Предложенная методика внедрения бария в структуру графита с целью снижения работы выхода электронов может быть использована для получения автоэмиссионных катодов с низкой работой выхода электронов. Предложенная и опробованная модель, учитывающая влияние процессов адсорбции и десорбции молекул остаточных газов на работе автоэмиссионного катода, может быть использована для прогнозирования срока службы катода.
Апробация работы
В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 8 статьях, 1 патенте и 40 докладах (тезисов докладов) научных конференций.
Основные результаты диссертации обсуждались на следующих конференциях: XLII-XLVI научных конференциях МФТИ {Долгопрудный 1999-2003); X-XI межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь 2000-2001); Х~й научно-технической конференции "Современное телевидение" (Москва 2002); Конференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология" (Москва 2002,2003); Х-ой научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Судак 2003); lV-ой Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2003); Ъ,л International Vacuum Electron Sources Conference (Orlando, USA, 2000); The international topical meeting on Field Electron Emission from Carbon Materials (Moscow, 2001); 11 ^ International Symposium on Intercalation Compounds (Moscow, 2001); 14th International Vacuum Microelectronics (Davis, CA, USA, 2001); 47th International Field Emission Symposium (Berlin, 2001); 4ltl International Vacuum Electron Sources Conference (Saratov, 2002); 15th International Vacuum Microelectronics and 48m International Field Emission Symposium (Lyon, 2002); 12* International Symposium on Intercalation Compounds (Poznan, 2003); 16th International Vacuum Microelectronics (Osaka, Japan, 2003); Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials. (Sudak, 2003); 49й1 International Field Emission Symposium (Graz, 2004).
Структура и объем диссертации
Работа состоит из 4-х глав, введения, заключения и списка литературы; изложена на 138 страницах; содержит 92 рисунка и 7 таблиц; список литературы включает 127 наименований.
