Лезвийные автокатоды из терморасширенного графита Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.32

О.Э. Макарова, Е.П. Шешин ЛЕЗВИЙНЫЕ АВТОКАТОДЫ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

(Московский физико-технический институт) e-mail: oksa.makarova@gmail.com, sheshin.ep@mipt.ru

Катодолюминесцентные лампы, принцип действия которых основан на явлении автоэлектронной эмиссии, являются энергосберегающими, долговечными и экологически безопасными источниками света. Наиболее перспективным представляется изготовление основного элемента источника - автоэмиссионного катода - из углеродных материалов, обладающих химической устойчивостью, высокой стабильностью и уникальными механическими свойствами. Благодаря увеличению площади эмитирующей поверхности при использовании лезвийного типа катодов становится возможным получение высоких значений автоэмиссионного тока.

Ключевые слова: катодолюминесцентные источники света, автоэлектронная эмиссия, углеродные материалы, лезвийные автокатоды

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря ряду достоинств, среди которых можно выделить низкую потребляемую мощность, широкий температурный диапазон, отсутствие накала, нечувствительность тока к внешней радиации, высокое быстродействие и благоприятный для визуального восприятия спектральный состав, ка-тодолюминесцентные источники света могут применяться в качестве осветительных ламп, элементов подсветки дисплеев, резервного освещения.

Автоэмиссионный катод является одним из основных элементов в конструкции катодолю-минесцентной лампы. Основными типами автокатодов, используемых в современной электронике, являются острийные, лезвийные (проволочные) и пленочные.

Эмиссионные характеристики и свойства конечного прибора определяются материалом автокатода. Одним из основных критериев качества автоэмиссионного катода является его устойчивость к воздействию ионов остаточных газов. По данному критерию наиболее перспективными являются углеродные материалы. Использование различных типов углеродных материалов в качестве автоэмиттеров определяется их физическими свойствами, например, электропроводностью, работой выхода электронов, минимальным размером структуры, характерным размером исходного углеродного порошка.

В последнее время в качестве автоэмиссионных катодов были опробованы такие материалы, как углеродные волокна, нанотрубки, различные типы графитов.

Терморасширенный графит

Терморасширенный графит (ТРГ) - это материал, получаемый из графита путем окисления и термообработки. На первом этапе осущест-

вляется внедрение молекул и ионов кислоты (серной или азотной) в присутствии окислителя между слоями кристаллической решетки графита. При этом происходит увеличение межслоевого расстояния углеродной матрицы. На втором этапе окисленный графит подвергается термообработке при температуре 900-1000 °С. В результате резкого выделения газообразных продуктов разложения внедренной кислоты из кристаллической решетки графита межслойное расстояние увеличивается примерно в 300 раз. Полученный терморасширенный графит прокатывают и прессуют.

ТРГ характеризуется высокой химической стойкостью, широким диапазоном рабочих температур, способностью к формованию без добавления связующего. Развитая структура поверхности ТРГ, обеспечивающая значительное усиление электрического поля, а также низкая работа выхода электронов позволяют использовать этот материал в качестве автокатода и наблюдать стабильную эмиссию в условиях технического вакуума [1].

Лезвийные автокатоды

Одной из наиболее важных характеристик автокатодов является максимально достижимое значение общего автоэмиссионного тока. Эта величина зависит от плотности тока и от площади эмитирующей поверхности. Увеличение плотности автоэмиссионного тока происходит при уменьшении значений работы выхода электронов материала катода ф, а также при увеличении напряженности поля Е.

Использование материалов с малыми значениями ф (1,5-2,5 эВ), например тугоплавких металлов переходных групп, приводит не только к повышению плотности автоэмиссионного тока, но и к понижению анодного напряжения, однако катоды из таких материалов быстро разрушаются в

реальных условиях, так как для их длительного существования идеальны очень низкие температуры и абсолютный вакуум [2].

Возрастание плотности тока автоэмиссии при данном значении ф за счет увеличения напряженности поля Е ограничивается механической прочностью материала катода.

В то же время повышение тока вследствие увеличения площади эмитирующей поверхности не имеет принципиальных физических ограничений и становится возможным при использовании лезвийных и многолезвийных катодов. В этом случае площадь эмитирующей поверхности может достигать 10-10"1 см . Эмитирующие центры лезвийных автокатодов представляют собой микровыступы на их поверхности, образующиеся в процессе предварительной механической и электрохимической обработки.

Впервые использование острых лезвий в качестве автокатодов было предложено Дайком в 1960 году [3]. Первоначально лезвийные автокатоды изготавливались из металлов (например, острый диск [4] или многолезвийный катод из стальных лезвий для безопасных бритв [5]).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Автоэлектронная эмиссия не имела теоретического объяснения вплоть до открытия кванто-во-механичекого туннельного эффекта [6]. Вскоре после этого в 1928 г. Фаулером и Нордгеймом была построена первая теория автоэлектронной эмиссии из металлов [7]. Ими впервые была получена формула, описывающая взаимосвязь плотности автоэлектронного тока ] с напряжённостью электрического поля Е\

/ = ;. (1)

В приведенную формулу входит напряженность электрического поля Е, которая непосредственно не измеряется. Однако эта величина пропорциональна приложенному напряжению V: Е = ри (2)

Коэффициент пропорциональности в в выражении (2) называется формфактором. Он зависит только от формы и размеров системы анод-катод.

Аналогично, в эксперименте измеряют не плотность тока автоэмиссии /, которая так же, как и площадь эмитирующей поверхности катода S, не поддается непосредственному измерению, а силу тока

I = (3)

Тогда уравнение (1) преобразуется к виду ^пЯо™^^ (4)

Построенная в так называемых координатах Фаулера-Нордгейма (ln (I/U2) от 1/U), экспериментальная зависимость представляется прямой линией:

ь

где Ап = ArS—, Вп = Б'—

1 =

З/Е

(5)

Таким образом, на практике реально определяемыми являются именно коэффициенты А и В, а не физические параметры катода ф, в, &.

Для изучения стабильности автоэмиссионного тока в течение длительного промежутка времени существуют две основные методики:

а) измерение тока при фиксированном уровне напряжения;

б) измерение напряжения при фиксированной величине тока.

Первая методика плохо применима для изучения эмиссионных свойств автокатодов из на-ноуглеродных материалов, так как параметры данного типа катодов отличаются нестабильностью. Как было показано выше, автоэмиссионный ток экспоненциально зависит от напряжения, поэтому даже небольшие флуктуации напряжения приводят к существенным изменениям значений тока.

Изучение поведения напряжения при поддержании постоянного уровня тока более целесообразно, так как при таком подходе флуктуации напряжения значительно уменьшаются, что облегчает анализ результатов. Этот режим также более близок к реальным условиям работы автокатодов из углеродных материалов, поэтому и был использован в эксперименте.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В данной работе в качестве катода была использована углеродная фольга. Полученная из ТРГ путем прокатки, фольга имеет гладкую поверхность, с которой невозможно получить эмиссию. Однако благодаря изготовлению из фольги автокатода лезвийного типа удалось пронаблюдать эмиссию с ее торцевой части, имеющей рыхлую структуру и содержащую достаточное количество эмиссионных центров.

В ходе эксперимента был изготовлен ка-тодно-модуляторный узел (КМУ), который является основой для создания катодолюминесцент-ной лампы общего освещения. Схематичное изображение КМУ представлено на рис. 1.

КМУ представляет собой конструкцию, состоящую из катода и модулятора, закрепленных на «ножке». Катод изготовлен на основе фольги из ТРГ толщиной 220±10 мкм и плотностью 1,65±0,05 г/см3 и помещен в никелевую трубку диаметром около 1 мм. Выступающая часть катода имеет форму полукруга радиусом 0,5 мм. Модулятором служит вольфрамовая проволока диаметром 0,3

мм в форме овала, находящаяся на расстоянии ~1 мм от катода. Модулятор также закреплен на «ножке» при помощи никелевой трубки. При проведении эксперимента в вакуумной камере в качестве анода использована стеклянная колба с проводящим покрытием из ITO (Indium tin oxide), на которую предварительно был нанесен люминофор. Расстояние между катодом и анодом составило около 15 мм.

2

Рис. 1. КМУ (вид сверху и вид сбоку): 1 - катод, 2 - модулятор, 3 - крепления из никеля, 4 - контакты Fig. 1. Cathode-modulator assembly (top view and side view): 1 - cathode, 2 - modulator, 3 - nickel fixation, 4 - contacts

Поскольку автоэмиссионные свойства катода во многом зависят от структуры его поверхности, важнейшим условием широкого применения лезвийных автокатодов на основе углеродных материалов является равномерность распределения эмиссионных центров. Для получения равномерной эмитирующей поверхности используются различные методы механической и термической обработки. В ходе данного эксперимента осуществлялась предварительная обработка (травление) лезвийных катодов на воздухе при помощи коронного разряда с целью улучшить их геометрию и подготовить образцы к последующим испытаниям.

Рис. 2. Автоэмиссионное изображение КМУ в вакуумной

камере

Fig. 2. Field emission pattern of cathode-modulator assembly in the vacuum chamber

По окончании предварительной обработки образец был помещен в вакуумную камеру. Испытания производились при давлении ~10-6 Торр,

напряжение на аноде составило 10 кВ, на модуляторе - 5 кВ.

На рис. 2 представлено автоэмиссионное изображение КМУ, полученное в ходе испытаний в вакуумной камере.

На рис. 3 и 4 - графики, полученные после обработки экспериментальных данных.

1. мкА 1500

1000

500

-500

I. ч

Рис. 3. График временной зависимости автоэмиссионного тока: 1 - экспериментальные данные, 2 - усредненная кривая зависимости, Дmax=21мкА - интервал отклонений от усредненной кривой Fig. 3. The time dependence of the field-emission current: 1- experimental data, 2 - averaged curve of dependence, Дmax=21^m - the range of deviations from the averaged curve

-24,5

О -24,7 5 -24,9

-25,1

-25,3

0,000165

0,000175 Ш, 1®

0,000185

Рис. 4. Семейство анодно-сеточных характеристик в координатах Фаулера - Нордгейма. Время от начала эксперимента: 1 - 1 ч 14 мин, 2 - 4 ч 6 мин, 3 - 6 ч 22 мин Fig. 4. The set of anode-grid characteristics in the Fowler-Nordheim coordinates. Time from the start of the experiment: 1 - 1 h 14 min, 2 - 4 h 6 min, 3 - 6 h 22 min

Катод из фольги ТРГ позволяет получить большие значения автоэмиссионного тока (около 800 мкА). В течение первых 30 мин работы автокатода наблюдается резкое падение тока (450 мкА/ч), а затем прибор выходит на режим работы, при котором происходит медленная деградация катода (25 мкА/ч), что неприемлемо в работе реального прибора. Эффект деградации автокатода связан с характером термической обработки материала, из которого получен ТРГ. Вследствие недостаточно высокой температуры обработки графита эмиссионные центры изготовленного авто-

катода имеют малую прочность, что способствует его деградации и уменьшению тока автоэмиссии.

Данные, полученные из графика амплитудно-сеточных характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма, позволяют оценить параметры образца. Результаты приведены в таблице.

Развитая структура поверхности терморасширенного графита, обеспечивающая значительное усиление электрического поля, а также низкая работа выхода электронов позволяют использовать его наряду с другими углеродными материалами в качестве основы для создания автоэмиссионных катодов. Однако для более стабильной работы катода на основе фольги ТРГ целесообразно увеличить температуру обработки исходного материала (графита). Реализованная в эксперименте триодная конструкция дает возможность эффективно управлять потоком электронов, эмитируемых из катода. Благодаря выбору лезвийного типа автокатода достигаются высокие

значения автоэмиссионного тока как следствие увеличения площади эмитирующей поверхности. Таким образом, созданный в ходе эксперимента катодно-модуляторный узел может являться основой для создания катодолюминесцентной лампы общего освещения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: МФТИ. 2001. 287 с.;

Sheshin E.P. The surface structure and field emission properties of carbon materials. M.: MIPT. 2001. 287 p. (in Russian).

2. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы: Учебн.-моногр. Долгопрудный: Интеллект. 2011. 704 с.;

Egorov N.V., Sheshin E.P. Field emission. Principles and instruments: Textbook-monograph. Dolgoprudnyj: Intellect. 2011. 704 p. (in Russian).

3. Dyke W.D. Field emission. A newly practical electron source. IRE Trans: on Military Electronics. MIZ. 1960. V. 4. N 1. 38 p.

4. Широков Е.Г. // Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. Наук. 1965. Т. 6. № 2. С. 145;

Shirokov E.G. // Izv. SO AN SSSR. Ser. Tekhn. Nauk. 1965. V. 6. N 2. P. 145 (in Russian).

5. Бондаренко Б.В., Макуха В.И. // ПТЭ. 1972. № 4. С. 235-236;

Bondarenko B.V., Makukha V.I. // PTE. 1972. N 4. P. 235-236 (in Russian).

6. Mott N.F., Sneddon IN. Wave Mechanics and its Applications. Clarendon Oxford. 1950. 393 p.

7. Fowler R.H., Nordheim L. // Proc. Roy. Soc. 1928. V. 119. N 781. P. 173-181.

Таблица

Параметры исследуемого образца Table. Parameters of the sample under study

Материал ТРГ

Форм-фактор, 1/А 2,6-10-4

Площадь эмитирующей поверхности, см2 0,9-10-13

Плотность тока при I = 400 мкА, А/см2 4,4-109

ВЫВОДЫ