холодноэмиссионный пленочный катод и способы его получения

Формула изобретения

1. Холодноэмиссионнкй катод, содержащий подложку с нанесенной на нее углеродной пленкой, отличающийся тем, что углеродная пленка выполнена в виде нерегулярной структуры, состоящей из углеродных микроребер и/или микронитей, ориентируемых перпендикулярно поверхности подложки, с масштабом 0,01 - 1 мкм и плотностью расположения 0,1 - 10 мкм^-2.

2. Способ получения холодноэмиссионного катода, включающий зажигание разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродосодержащей добавкой, нагрев подложки и осаждение углеродной фазы на подложку, расположенную на аноде, отличающийся тем, что зажигают разряд с плотностью тока 0,15 - 0,5 А/см², осаждение проводят в смеси водорода с парами этилового спирта или метана при полном давлении 50 - 300 Тopp и нагреве подложки до 600 - 900^oС, при концентрации паров этилового спирта 5 - 10%, а концентрация метана 15 - 30%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что осаждение проводят при разбавлении газовой смеси до 75% инертного газа при сохранении полного давления.

4. Способ получения холодноэмиссионного катода, включающий зажигание СВЧ-разряда о поглощаемой мощностью 5 - 50 Вт/см³ в смеси углекислого газа и метана в соотношении 0,8 - 1,2 при давлении 20 - 100 Торр и осаждение углеродной фазы на подложку, отличающийся тем, что осаждение проводят при температуре поверхности подложки 500 - 700^oC.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения пленок для высокоэффективных полевых эмитеров электронов, которые могут быть использованы для создания плоских дисплеев, в электронных микроскопах, СВЧ-электронике, источниках света и ряде других приложений.

Известен холодноэмиссионный пленочный катод, содержащий подложку с нанесенной на нее алмазной пленкой. До настоящего времени все попытки создать высокоэффективный эмиттер электронов на основе поликристаллических алмазных пленок нельзя считать успешными, в частности, в связи с крайне низкой плотностью эмиттирующих центров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является холодноэмиссионный пленочный катод, содержащий подложку с нанесенной на нее пленкой углерода [1]. Пленка, нанесенная на подложку, представляет собой пленку аморфного углерода.

Известен способ создания холодноэмиссионного пленочного катода, получаемого методом лазерного распыления [1], который заключается в осаждении на холодную подложку углерода, испаряемого из графитовой мишени излучением мощного лазера. Недостатком такого способа является его сложность, дороговизна, ограниченные возможности масштабирования, а также низкая плотность эмиттирующих центров (порядка 1000 на см² при поле 20 В/мкм), что явно недостаточно для создания полноцветного монитора с 256 градациями яркости.

Известен способ получения холодноэмиссионного пленочного катода методом газофазного синтеза, включающий зажигание тлеющего разряда постоянного тока в разрядном промежутке между катодом и анодом в потоке водорода, нагрев подложки до температуры осаждения, подачу углеродосодержащего газа в поток и осаждении пленки в смеси водорода с углеродосодержащим газом, удаление излишков графитовой фазы в разряде в потоке водорода [2]. Таким способом получаются наноалмазные пленочные катоды. Однако получаемые описанным способом алмазные пленки растут очень медленно и зачастую не обладают эмиссионными свойствами, достаточными для создания катода для полноцветного монитора.

Известен способ получения алмазного катода [3], включающий зажигание СВЧ-разряда с поглощаемой мощностью 100 - 1000 Вт в смеси углекислого газа и метана в соотношении от 0,8 до 1,2 при давлении от 20 до 100 Торр и осаждение углеродной фазы на подложку. Однако этот метод очень дорог, а получаемые пленки имеют весьма неоднородные эмиссионные свойства.

Целью предлагаемого изобретения является получение холодноэмиссионного пленочного катода с высокими электронно-эмиссионными характеристиками, которые могут быть использованы в качестве полевых эмитеров электронов при создании плоских дисплеев, в электронных микроскопах, источниках света, СВЧ-электронике и ряде других приложений.

Предлагаемый холодноэмиссионный пленочный катод, содержащий подложку с нанесенной на нее углеродной пленкой, которая выполнена в виде нерегулярной структуры, состоящей из углеродных микроребер и/или микронитей (микроострий), ориентированных перпендикулярно поверхности подложки с масштабом 0,01-1 мкм и плотностью расположения 0,1-10 мкм^-2.

Предлагаемый первый вариант способа получения холодноэмиссионного катода, включающий зажигание разряда постоянного тока в смеси водорода с углеродосодержащей добавкой, нагрев подложки и осаждение углеродной фазы на подложку, расположенную на аноде, заключается в том, что зажигают разряд с плотностью тока 0,15-0,5 А/см², осаждение проводят в смеси водорода с парами этилового спирта или метана при полном давлении 50-300 Торр и нагреве подложки до температуры 600-900^oC, при этом концентрация паров этилового спирта составляет 5-10%, а концентрация метана составляет 15-30%.

Газовая смесь может быть разбавлена до 75% инертным газом при сохранении полного давления, в частности, аргоном.

При концентрации паров этилового спирта ниже 5%, а концентрации метана ниже 15% и уменьшении давления ниже 50 Торр уменьшается скорость нуклеации, что приводит к большой неоднородности эмиссионных характеристик. Кроме того, меняется морфология пленки. При концентрации паров этилового спирта выше 10%, а концентрации метана выше 30% и превышении давления свыше 300 Торр происходит потеря устойчивости разряда. При плотности тока больше 0,5 A/см² происходит перегрев газа и поверхности подложки, что приводит к снижению эмиссионных свойств пленки. При плотности тока меньше 0,15 А/см² не обеспечивается нужная степень активации газовой среды. Изменение температуры подложки ниже 600^oC или выше 1000^oC приводит к сильному изменению морфологии пленки и потере ее эмиссионных свойств.

Предлагаемый второй вариант получения холодноэмиссионного катода, включающий зажигание СВЧ-разряда с поглощаемой мощностью 5 - 50 Вт/см³ в смеси углекислого газа и метана в соотношении 0,8 - 1,2 при давлении 20 - 100 Торр и осаждение углеродной фазы на подложку, заключается в том, что осаждение проводят при температуре поверхности подложки 500 - 700^oC.

При поглощаемой мощности свыше 50 Вт/см³ происходит перегрев газа и поверхности подложки, что приводит к снижению эмиссионных свойств пленки. При поглощаемой мощности меньше 5 Вт/см³ не обеспечивается нужная степень активации рабочей среды. Изменение температуры подложки ниже 500^oC или выше 700^oC приводит к сильному изменению морфологии пленки и потере ее эмиссионных свойств.

Способ получения холодноэмиссионного пленочного катода в разряде постоянного тока осуществлялся в камере, снабженной системой газораспределения, обеспечивающей подачу и контроль газовой смеси водорода с углеродосодержащими присадками. Разряд зажигается между двумя электродами, подсоединенными к системе электрического питания. В качестве подложкодержателя используется анод, а в качестве подложки - кремниевая шайба толщиной 400 мкм.

Осаждение осуществлялось в газовой смеси водорода с парами этилового спирта (5-10%) при давлении 50 - 300 Торр. Температура подложки, которая определяется мощностью разряда, специальным нагревателем и системой охлаждения, контролировалась оптическим пирометром и была, с учетом соответствующих поправок, в диапазоне 600 - 1000^oC. Плотность тока разряда была 0,15 - 0,5 А/см². При данных параметрах обеспечивалась скорость роста до 10 мкм/час. В качестве подложки может использоваться любой материал, стойкий при температурах осаждения и обладающий высокой адгезией к углероду. Перед осаждением подложка подвергалась обработке алмазной суспензией по одной из стандартных технологий с целью увеличения концентрации центров нуклеации. Использовалась ультразвуковая обработка в течение 20 - 40 минут.

Аналогичная структура пленки может быть получена с использованием метана с концентрацией 15% - 30 % при сохранении тех же параметров.

Способ получения холодноэмиссионного пленочного катода в СВЧ-разряде осуществлялся в реакторе с поглощаемой мощностью 100 - 1000 Вт. Для осаждения использовалась смесь углекислого газа и метана при давлении от 20 до 100 Торр. Соотношение углекислого газа и метана было от 0,8 до 1,2. Температура поверхности 500-700^oC. При данных параметрах обеспечивалась скорость роста также порядка 10 мкм в час. Подложка готовилась по той же схеме, что и для способа получения холодного эмиссионного катода в разряде с постоянным током.

Изобретение поясняется фиг. 1-4, где на фиг.1 представлены типичные изображения хорошо эмиттирующих пленок, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, на фиг.2 представлено распределение эмиссионного тока с одной из таких пленок, на фиг.3 - зависимость эмиссионного тока от напряженности электрического поля, а на фиг. 4 приведен типичный рамановский спектр получаемых пленок.

Как видно из фиг.1, пленки могут представлять собой как нитевидные (а), так и ленточные (6) структуры, причем ориентированы они перпендикулярно поверхности.

На фиг. 2 изображено распределение свечения люминофора, которое пропорционально плотности тока возбуждающего пучка электронов. Размер образца 25 мм х 25 мм. Как видно, распределение эмиссионного тока достаточно однородно.

Плотность эмиссионных центров была порядка 300000 см², что достаточно для создания эмиссионного дисплея.

Представленные на фиг. 3. вольт-амперные характеристики тока эмиссии демонстрируют зависимость тока эмиссии от напряженности поля. Видно, что порог эмиссии достаточно низок.

Полученный материал был исследован методами сканирующей электронной и тунельной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и рамановской спектроскопии. На фиг. 4 представлен типичный рамановский спектр 4.

В результате исследования показали, что полученный материал является микрографитом и состоит из нитевидных и ленточных структур, нерегулярно расположенных по поверхности подложки с плотностью порядка 1 на мкм². Материал обладает высокой электростатической стойкостью. Пленка не разрушается при напряженности электрического поля вплоть до 30 В/мкм.

Получаемый предлагаемыми способами холодноэмиссионный катод обладает высокими эмиссионными свойствами, стоек в высоких электрических полях, химически инертен и поэтому может быть использован для создания плоских дисплеев, в электронных микроскопах, СВЧ-электронике, источниках света и ряде других приложений.

Методы получения этого катода достаточно производительны. Кроме углерода такие структуры могут быть получены из других проводящих материалов.

Источники информации:

1. KUMRN Diamond based field emission flat panel displays" Solid State Tech., 1995, May, p.71

2. A.T. Rakhirmov, B.V. Seieznev, N.V.Surtin et al. Applications of Diamond Films and Related Material: 3-rd International Conf., Gaithersburg, MD, USA. 1995, NISTIR 5692, Supplement to NIST Special Publication 885, p. 11s.

3. Патент США N 4816286, 1989.