CC BY
9Статья поступила в редакцию 12.03.10. Ред. рег. № 753 The article has entered in publishing office 12.03.10. Ed. reg. No. 753
PACS 85.45.Db
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ АВТОКАТОДА ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ФОЛЬГИ
А. С. Лейченко, А. С. Рауфов, Е.П. Шешин
Московский физико-технический институт (государственный университет)
141700 г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9 Тел.: 8(495) 408-59-44, факс: 8(495) 409-95-43, e-mail: asleychenko@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 25.03.10 Заключение совета экспертов: 30.03.10 Принято к публикации: 05.04.10
Работа посвящена созданию эффективного источника электронов для использования его в электронных отпаянных приборах. В качестве катода рассматривается углеродная фольга. Предложена обработка лазерным излучением для формирования развитой наноструктурированной эмитирующей поверхности. Показано, что обработка излучением высокой частоты (20 кГц) и малой мощности импульса (~1 мВт) позволяет получить качественный рез с развитой морфологией (характерный размер выступов 30 нм). Изготовлен и исследован автоэмиссионный катод из наноструктурированной углеродной фольги.
Ключевые слова: автоэлектронная эмиссия, лазерная обработка материалов, терморасширенный графит, источники свободных электронов.
CARBON FOIL FIELD EMISSION CATHODE NANOSTRUCTURIZATION A.S. Leychenko, A.S. Raufov, E.P. Sheshin
Moscow Institute of Physics and Technology (State University) 9 Institute str., Dolgoprudnii, Moscow reg., 141700, Russia Tel.: 8(495) 408-59-44, fax: 8(495) 409-95-43, e-mail: asleychenko@gmail.com
Referred: 25.03.10 Expertise: 30.03.10 Accepted: 05.04.10
Efficient electron source for electro vacuum devices is developed. Carbon foil is used as the cathode material. Laser treatment of the foil is proposed for nanostructured emission surface formation. It is shown that high frequency (20 kHz) and low pulse energy (~1 mW) treatment provide for quality cathode edge with advanced morphology (characteristic tip size is 30 nm). Nanostructured carbon foil cathode was created and studied.
Keywords: electron field emission, laser processing of materials, thermally expanded graphite, electron sources.
Введение
В настоящее время исследователями ведется поиск эффективных автоэлектронных эмиттеров на основе углеродных материалов, таких как углеродные нанотрубки, волокна, фольги, алмазоподобные пленки и т.д. До настоящего времени полиакрило-нитрильное углеродное (ПАН) волокно является наиболее стабильным автоэмиссионным катодом для работы в техническом вакууме [1]: наработка катода на основе одиночного углеродного волокна составила 7,5 тыс. часов при токе 50 мкА. Откачанные вакуумные приборы, в которых используются пучки ПАН волокон, показывают высокие эмиссионные характеристики и продолжительный срок службы. Но на основе волокон технически сложно изготовить катод с эмитируемым током более миллиампера, что говорит о необходимости поиска материала, способ-
ного давать большие токи и имеющего стабильную и устойчивую к воздействию разрушающих факторов структуру поверхности. В данной работе в качестве такого материала рассматривается углеродная фольга. Проводится подбор режима предварительной обработки эмитирующей поверхности фольги при помощи воздействия лазерным излучением. Целью работы является создание эффективного источника электронов для использования его в электронных отпаянных приборах.
Углеродная фольга из терморасширенного графита
В основе технологии получения термически расширенного графита (ТРГ) лежит процесс специальной термохимической обработки рафинированных природных кристаллических графитов. На первой
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
стадии получают соединения внедрения графита (СВГ). Затем СВГ подвергают быстрому нагреву (термоудару), при этом происходит термическое расширение - вспучивание графитовых частичек в направлении кристаллографической оси С. Образующиеся частицы способны к прессованию и прокату на различные поверхности без связующего (биндера), в результате чего получается ТРГ фольга.
Фольга на основе терморасширенного графита удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для изготовления автоэмиссионных катодов. Она обладает кристаллитной структурой, причем вследствие технологических особенностей производства кристаллиты в ней достаточно хорошо ориентированы. Кроме того, фольга обладает ярко выраженной анизотропией физических свойств. Наличие пор у графитовой фольги может быть использовано для улучшения ее эмиссионных свойств путем внедрения в поры материалов, понижающих работу выхода электронов.
На данный момент производство графитовой фольги в мировой промышленности налажено в больших объемах. Поэтому при изготовлении автокатодов на ее основе не должно возникнуть дополнительных трудностей, связанных с плохой повторяемостью свойств, труднодоступностью и дороговизной материала (в отличие от ситуации с автокатодами из углеродных нанотрубок).
Для эффективной автоэмиссии определяющим параметром является коэффициент усиления электрического поля у поверхности катода, зависящий от морфологии его поверхности. Несмотря на то, что исходный порошок ТРГ обладает развитой поверхностью с большим числом микронеровностей, в процессе прокатки фольги чешуйки фольги заминаются, поэтому поверхность фольги не обладает требуемым для хорошей автоэмиссии рельефом. В процессе механической обработки, в частном случае резки, на поверхности фольги образуются рваные неровности. Однако эти неровности также не обладают микроструктурой, характерной для исходного порошка ТРГ, так как в процессе резки также происходит замятие частичек терморасширенного графита.
Формирование эмиссионной поверхности при помощи лазерной обработки
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для формирования эффективных автоэмиттеров на поверхности фольги ТРГ не подходят способы механической обработки. Необходимо использовать метод, который бы позволил освободить структуру ТРГ без одновременного замятия. Следовательно, механические методы обработки не подходят. В качестве такого метода предлагается лазерная обработка. Как наиболее эффективный метод нами рассматривается раскрой фольги с образованием развитой эмитирующей поверхности на ее срезе.
На первый взгляд, лазерный раскрой углеродной фольги представляется достаточно простым процессом. Однако имеются особенности, отличающие его от процессов лазерного раскроя других материалов. К числу таких особенностей в первую очередь относится высокая температура в зоне реза, равная температуре испарения углерода. При таких температурах возможно образование пироуглеродных структур, существенно отличающихся от структуры исходного материала. Под действием высоких температур может образоваться широкая зона термического влияния (ЗТВ) с различными параметрами кристаллической решетки по ее ширине [2]. Сочетание неоднородной кристаллической структуры с наличием пор, заполненных газом при высоком давлении, вызывает рост внутренних напряжений. В результате в ЗТВ образуется система микротрещин, которая может перейти на макроуровень и вызвать расслоение материала по границе наполнителя с матрицей. При резке импульсно-периодическим лазером ширина ЗТВ уменьшается и зависит от длительности импульса.
В связи с высокой температурой карбонизации и последующей термообработки углеродной фольги ее ЗТВ при больших скоростях резки составляет менее 200 микрон. Образующаяся при резке ЗТВ имеет более высокую степень графитации, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства материала.
Эффективность использования лазерного излучения для термообработки углеродных материалов, в отличие от раскроя, не очевидна. В процессе лазерной обработки создаются условия воздействия, кардинально отличающиеся от условий традиционной термообработки:
- любые температуры на поверхности материала;
- большой градиент температур и вызванный им градиент давлений по глубине зоны термического воздействия;
- локальность обработки [3].
Поверхностный характер и локальность лазерного воздействия в нашем случае являются достоинством лазерной обработки, так как позволяют провести обработку отдельных областей изделий, не изменяя структуру всей катодной пластины, и изменять структурно-фазовый состав обработанного материала по толщине. Таким образом, в процессе изготовления автоэмиссионного катода лазерная обработка позволяет:
- создать на поверхности изделия слой материала с измененным по отношению к основной массе структурно-фазовым составом;
- на промежуточной стадии изготовления изделий изменить пористую структуру материала (увеличить открытую пористость).
Лазерная обработка углеродной фольги ведет к графитации материала в зоне лазерного воздействия и к увеличению стойкости обработанного материала от 1,5 до 10 раз в кислородсодержащих газовых средах при высоких температурах [3].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Наноструктуры
ТРГ фольга после обработки лазерным излучением
РЭМ-изображение типичного отверстия, полученного при облучении фольги толщиной 200 мкм импульсом лазерного излучения с энергией 30 Дж (I режим), приведено на рис. 1.
Рис. 1. Отверстие, полученное при облучении фольги толщиной 200 мкм лазерным импульсом с энергией 30 Дж Fig. 1. Hole in a 200 micron thick foil made with 30 J laser pulse
фольги ТРГ. Периферийная область образована вспученными слоями графитовой фольги и определяется зоной термического влияния лазерного излучения. Вспучивание фольги происходит под действием образующихся паров, проникающих в поры.
Как видно из изображений в РЭМ, ЗТВ и периферийная область расширения графита в случае облучения импульсом большой мощности существенно больше (порядка 1 мм), чем в случае резки в режиме малой мощности (менее 100 мкм), в результате чего меняется не только морфология поверхности среза фольги, ни и ее макрогеометрия (толщина фольги вокруг отверстия превышает 500 мкм).
Рис. 2. Отверстие, изготовленное с помощью многопроходной методики с энергией отдельного импульса порядка 1 мДж Fig. 2. Hole made using multipass technique (pulse energy is about 1 mJ)
На рис. 2 представлено отверстие, изготовленное с помощью многопроходной методики с частотой импульсов 20 кГц, скоростью движения луча 2000 мм/с и энергией импульса порядка 1 мДж (II режим). В отверстии можно выделить три области: центральная полость, срез и периферия. Центральная полость образуется в процессе интенсивного испарения графита под действием лазера. Срезом является оголенная в результате интенсивного испарения материала из катода и модифицированная под воздействием лазерного излучения внутренняя структура
Рис. 3. Изображение среза, полученного при облучении фольги толщиной 200 мкм лазерным импульсом с энергией 30 Дж
Fig. 3. Edge of the hole in a 200 micron thick foil made with 30 J laser pulse
Л
iifr ift^wj^jfr
88Й jVlfif^
•Tf* ' * у r rtc*** Tttff3^ Те** -flVr ч J-иУг A . -f^f. \ • ^ - V 1,1 t
JjB Jgb- WD 1 —- i|l1.9 mm I — 5 jjr -
12/4/2009 7:39 11 PM w 3,OOkV HFW 9.95 urn
Рис. 4. Изображение среза, полученного при многопроходной обработке с энергией отдельного импульса порядка 1 мДж Fig. 4. Edge of the hole made using multipass technique (pulse energy is about 1 mJ)
Определяющей характеристикой отверстия для использования его в качестве автоэмиссионного катода является микрогеометрия его среза. На рис. 3, 4 отчетливо видно обнажение слоистой структуры ТРГ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
фольги на срезе отверстия. Из РЭМ-изображений видно, что поверхность среза в обоих случаях обладает микрорельефом с характерным размером 2060 нм. Причем структура рельефа, созданного во втором режиме обработки (рис. 4), такова, что частицы ТРГ более равномерно распределены по поверхности среза, чем в случае I режима (рис. 3). В обоих случаях расстояние между соседними частичками на порядок превышает их размер. Кроме того, видно, что частицы ТРГ в процессе образования отверстия ориентируются перпендикулярно поверхности среза. В этом случае наиболее вероятна автоэмиссия с торцов этих частиц, т.е. эмиссия будет протекать с торцов графитовых слоев (пачек слоев) в направлении, перпендикулярном кристаллографической оси С. Такая структура является оптимальной для автоэмиссионного катода [1].
Таким образом, с поверхности среза ожидается эффективная автоэмиссия.
Эмиссионные испытания автокатода
Для исследования эмиссионных свойств катода было рассмотрено отдельное отверстие. Конструкция пробника представляла собой диод: на стеклянной подложке с проводящим покрытием, которое служило анодом, располагалась пластинка слюды толщиной 30 мкм с отверстием 1 мм, на пластинку крепился катод, отверстие которого располагалось соосно с отверстием в слюде (латеральная конструкция). Измерения вольт-амперных характеристик проводились в вакуумной камере при давлении остаточных газов 10-6 торр. Анализ ВАХ показал, что пороговая напряженность электрического поля для данной конструкции Е[1 = 1 мкА] < 5 В/мкм, оцененный с помощью теории Фаулера-Нордгейма характерный размер неровностей составляет порядка 30 нм. Диод обладал высокой крутизной ВАХ АЩ1 = 1-60 мкА] < 200 В и низкими рабочими напряжениями иа < 700 В.
Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная методика позволяет формировать катоды с высокими эмиссионными свойствами поверхности, а высокая крутизна вольт-амперной характеристики позволяет ожидать низких управляющих напряжений при работе в триодном режиме.
Выводы
Предложен способ формирования катодных отверстий в фольге ТРГ с помощью импульсного лазерного изучения. Рассмотрено воздействие лазерного излучения на фольгу. Проведена оптимизация процесса формирования эмиссионных центров. Технология получения катодных отверстий в фольге ТРГ позволяет создавать плоские автокатоды различной площади от нескольких квадратных сантиметров до сотен квадратных сантиметров. Также возможно создавать автокатоды с различным рисунком эмитирующей поверхности.
Разработка планарных автоэмиссионных катодов латеральной конструкции позволяет увеличить площадь эмитирующей поверхности, создавать катодные массивы большой площади, формировать электронные пучки малого сечения. Использование таких катодов позволит миниатюризировать конечные приборы, упростить их схему управления и увеличить ресурс. Спектр применения их практически неограничен: от катодолюминесцентных ламп и рентгеновских трубок до автоэмиссионных дисплеев и клистронов.
Список литературы
1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М: МФТИ, 2001.
2. Гуреев Д.М., Кузнецов С.И., Петров А.Л. Лазерный раскрой углеродных композиционных материалов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 1999. № 2. С. 255-264.
3. Кузнецов С.И., Петров А.Л. Применение лазерного излучения для модификации поверхности и раскроя углеродных композиционных материалов и углеродных тканей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2003 . Т. 5, № 1. С. 46-54.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
