Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Применение автокатодов в технике



Применение автоэмиссионных катодов в электронных приборах, несомненно, привлекательно. По целому ряду параметров они существенно превосходят термоэмиссионные. Среди них в первую очередь следует отметить экономичность. Эмиссионный ток может быть получен при любой температуре катода и, следовательно, отсутствует необходимость затрат энергии на подогрев, большая часть которой расходуется на бесполезное (и даже вредное) тепловое излучение и нагрев элементов схем.

Другим преимуществом является высокая готовность прибора к работе. Время начала работы после включения может быть меньше 10-8 с.. Для сравнения, при использовании термоэмиссионных катодов необходим длительный прогрев приборов в рабочем режиме (от нескольких минут до часов), чтобы закончились переходные процессы и стабилизировались их параметры.

Привлекательной особенностью автокатодов является высокая крутизна вольтамперных характеристик - один из самых важных параметров, что обусловлено узостью распределения электронов по энергиям.

Наконец и, пожалуй, наиболее важным преимуществом автокатодов является высокая локальность. Эмитирующая часть катода представляет собой полусферу радиуса, порядка тысячи ангстрем. Более того, используя перестройку острий при нагреве в сильных электрических полях можно на порядки уменьшить эмиссионную площадь и сконцентрировать электронный поток в узком (менее 100) телесном угле. Тем самым удается получить направленный пучок электронов, что крайне важно для целого ряда технических применений (электронная литография, источники электронов в электронных микроскопах, острофокусные рентгеновские трубки и др.).

Однако, автокатоды имеют ряд недостатков, которые сдерживают их широкое применение. Основным, пожалуй, является нестабильность автоэмиссионного тока. На рис.3.7.7 приведена типичная зависимость эмиссионного тока от времени работы катода начиная с момента очистки поверхности и вплоть до его разрушения вследствие превышения допустимой плотности эмиссионного тока [28]. Условно можно выделить три области. На первом этапе происходит быстрое уменьшение тока. Оно связано с адсорбцией остаточных газов. Причем, нужно учитывать, что

сильное электрическое поле стимулирует адсорбцию. Наличие поля у острия приводит к понижению энергии молекул газа в этой области из-за наличия поляризуемости, а также дипольного момента. Поэтому давление газа у поверхности острия в присутствии поля выше, чем в остальной части прибора.

Адсорбция сама по себе была бы не страшна. Через некоторое время устанавливается некоторое стационарное покрытие, что приводит к соответствующему изменению работы выхода и требует некоторого изменения рабочих напряжений. Это соответствует II области на рис.3.7.7. Страшнее то, что частицы газа легко перемещаются вдоль поверхности, особенно при наличии внешних полей. Они мигрируют, образуют кластеры, это приводит к увеличению локальной напряженности поля. Последнее вызывает резкое возрастание эмиссионного тока, причем зачастую плотность тока с таких микроострий превышает безопасную для них величину. Микроострия сгорают, возникают новые, и процесс повторяется. В результате, ток в лучшем случае сильно флуктуирует, в худшем- возрастание тока таково, что гибнет острие (III область).

Адсорбция не единственный фактор, препятствующий широкому использованию автокатодов. Кроме нее отрицательное воздействие оказывает ионная бомбардировка острия. Автоэлектроны, имея высокую энергию, способны ионизовать молекулы остаточного газа. Некоторый вклад в формирование потока ионов, бомбардирующих автокатод, может внести и десорбция частиц с анода. Бомбардировка острия приводит к изменению как состава поверхностного слоя вследствие распыления, а также нейтрализации падающих ионов с последующей адсорбцией, так и к изменению геометрии вершины вследствие эрозии поверхности.

Ионную бомбардировку принципиально устранить нельзя. Ее можно лишь несколько уменьшить, используя подходящую геометрию прибора. Одна из возможных конструкций приведена на рис.3.7.8 [29]. В непосредственной близости от острия располагается электрод, с помощью которого создается поле нужной напряженности - экстрактор. В экстракторе имеется отверстие, через которое эмиссионный ток попадает в промежуток между экстрактором и отражателем. На последнем поддерживается отрицательное относительно катода напряжение. Отражаясь от этого электрода, электроны разворачиваются и уходят на тыльную сторону экстрактора. Их торможение начинается с некоторой «седловой» точки X0, в которой F=0. До X0 электрон оттягивается от острия, после - сила действует в противоположном направлении. На положительно заряженные ионы поле действует в противоположном

 
  Рис.3.7.8. Электронно-оптический затвор, позволяющий уменьшить влияние ионной бомбардировки. Э – автоэмиссионный катод, А – экстрактор, на который подается высокое напряжение, О – отражатель, напряжение на котором таково, что электроны разворачиваются и движутся к аноду [29].  
Рис.3.7.9. Зависимость автоэмиссионного тока для острия из вольфрама, покрытого пленкой ВаО, от времени при использовании электронно-оптического затвора (кривая 2) и без него (кривая 1). [29].  

 

направлении. Такую конфигурацию поля называют электронно-оптическим затвором. Причина такого названия заключается в том, что ионы, возникающие при столкновении электронов с молекулами остаточного газа за эквипотенциалью, проходящей через X0, затягиваются на отражатель. Катод бомбардируют только те, которые образуются между острием и X0, расстояние между которыми может быть сделано порядка 50 мкм и менее. Такого рода конструкции позволяют существенно повысить стабильность тока с автокатода. В качестве примера на рис.3.7.9 приведены временные зависимости автоэмиссионного тока, полученные с использованием электронно-оптического затвора (кривая 2) и без него (кривая 1) [29]. Видно, что затвор существенно улучшает стабильность эмиссионного тока.

Самый простой способ избавиться от влияния и адсорбции. и ионной бомбардировки - улучшить вакуум. Для устойчивой работы необходимо, чтобы давление остаточных газов не превышало 10-10 тор. Это на два...три порядка лучше, чем освоено современной промышленностью. Можно было бы пойти на некоторый подогрев острия, хотя, конечно, это понижает экономичность. Но при повышенных температурах становятся возрастает подвижность адсорбированных частиц.

Приведенными выше причинами и объясняется то, что автокатоды пока не получили широкого применения в технике. Их используют только в некоторых случаях, когда применение катодов других типов не способно дать нужные результаты. В качестве примера можно привести растровый электронный микроскоп. Только применение в нем автокатода, позволяющего получать практически моноэнергетический пучок электронов в узком телесном угле, позволило добиться атомного разрешения.

Для некоторых применений дополнительным препятствием к использованию катодов является сравнительно малая величина эмиссионного тока. Так, с острия радиусом 2000 Å при напряжении ~ 5 кэВ в статическом режиме можно получить около 10 мкА. Превышение некоторой предельной величины тока приводит к разрушению катода. Казалось бы, что можно повысить величину предельного тока, если использовать более грубые острия, увеличив тем самым эмиссионную площадь.

Однако, при этом резко возрастает напряжение, необходимое для автоэмиссии. Работать с такими высокими напряжениями довольно сложно, а получаемый выигрыш не велик. Поэтому неоднократно предпринимались попытки создания многоострийных автокатодов, состоящих из большого количества изготовленных по стандартной технологии острий, каждое из которых являлось бы независимым эмиттером.

Однако, сложность изготовления и недостаточная воспроизводимость формы острий, а также взаимное экранирование электрического поля не позволили достичь на этом пути значимых результатов. Более успешным оказалось использование для этих целей микроэлектронной технологии, позволяющей с высокой точностью создавать острия с воспроизводимыми формами и размерами. На рис.3.7.10 приведено изображение многоострийной системы, которые предполагается использовать в дисплеях [30] .

Более перспективно, видимо, использование эмиттеров, сформированных на базе материалов, обладающих низкой адсорбционной способностью, устойчивых по отношению к ионной бомбардировке. В последнее время большое внимание уделяется разработке технологии создания автоэмиссионных источников электронов на основе «самоорганизующихся» систем. Одними из наиболее перспективных являются сформированные из углеродных нанотрубок. Используя различные технологические приемы удается даже на плоских поверхностях получать слои, обладающие развитым рельефом поверхности. Это позволяет уже при невысоких напряжениях получать автоэмиссионные токи достаточной величины.

На рис.3.7.11 приведено электронно-микроскопическое изображение слоя толщиной 50 нм, образованного углеродными нанотрубками, а на следующем рис.3.7.12 - вольтамперная характеристика, полученная для этой системы [31]. Обращает на себя внимание крайне низкое напряжение, всего лишь несколько сот вольт, при котором имеет место эмиссия электронов. Как видно из вставки на этом рисунке, зависимость

Рис.3.7.11. Электронно-микроскопическое изображение поверхности слоя из углеродных нанотрубок толщиной 50 нм [31]. Рис.3.7.12. Зависимость эмиссион-ного тока от напряжения для системы, приведенной на предыдущем рисунке. На вставке приведена та же зависимость в координатах Фаулера-Нордгейма [31] .

может быть приближенно описана уравнением Фаулера- Нордгейма. Отклонения от прямолинейной зависимости являются ожидаемыми, поскольку ток является суммой токов с различных эмиссионных центров, различающихся как по геометрии, так и по степени экранирования поля со стороны соседних участков. Преимуществом углерода является его инертность по отношению к адсорбции. На рис.3.7.13 приведена зависимость эмиссионного тока от времени. Видно, что эмиссионные свойства могут сохраняться в течение многих часов. Причем стабильность тока может быть улучшена при использовании подходящих покрытий. В данном случае использовался карбид титана.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску оптимальных систем. Наряду со слоями из углеродных нанотрубок испытываются системы, сформированные на основе нанотрубок, наноострий, нанопроволок, нанолент, наностержней и т.п. из других материалов. В таблице 3.7.1 приведены величины напряженности поля, при которых эмиссионный ток достигает значения, равного 1 мА/см2. Видно, что величина F на порядки меньше, чем это необходимо в случае металлических эмиттеров. Низкое рабочее напряжение, высокая стабильность эмиссионного тока, большая величина отбираемых токов позволяет рассчитывать на широкое практическое применение таких систем в качестве катодов. Успехи, достигнутые в последние годы в этом направлении, позволили оптимистично смотреть на возможности использования автокатодов в качестве рабочих элементов различных устройств. На рис.3.7.14 приведены возможные конструкции пикселей, которые уже используются в опытных образцах современных дисплеев [33]. Это могут быть либо элементы диодной конструкции, у которых анод покрыт люминесцирующим слоем (а), либо триодная система с использованием в качестве экстрактора дополнительного электрода (б).

Перспективными могут оказаться экономичные источники света, в которых источником электронов является автокатоды, сформированные по принципам самоорганизации. Свечение возникает в результате бомбардировки электронами

 

Таблица 3.7.1. Сравнение напряженностей поля для пленок различных одномерных эмиттеров [32] .

 

Одномерные наноструктуры Напряженность электрического поля, необходимого для получения тока, равного 1 мА/см2 в В/мкм
Углеродные нанотрубки 1,6
Нанотрубки CNx 5,5 (при 3 мА/см2)
Нанотрубки BCNx 5,5 (при 3 мА/см2)
Наноострия AlN 10,6
Нанопроволоки GaAs 6,5
Наноленты GaN 2,3
Наноленты SnO2 2,1
Нанопроволоки TaSi2 700 (при 13,5 мА/см2)
Наностержни NiO 6,5
Нанопроволоки Cu2S
Нанопроволоки ZnO 4,3

 

люминофора (рис.3.7.15). Такие источники экологически значительно безопаснее, чем существующие люминесцентные лампы. На основе автокатодов разрабатываются и малогабаритные источники рентгеновского излучения. На рис.3.7.16 приведен вариант конструкции такого устройства.

 

Рис.3.7.14.Схематическая конструкция пикселя дисплея. а – диодная конструкция, b – триодная [33].

 

а б Рис.3.7.15. Конструкции источников видимого света торцевой (а) и цилиндрической формы (б) [33]. Рис.3.7.16.Конструкция источ-ника рентгеновского излучения [33].

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.