Разработка и исследование автоэмиссионных свойств многоэмиттерных катодно-модуляторных узлов на основе углеродных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шапошников Сергей Сергеевич

• Шапошников Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Шапошников Сергей Сергеевич

Оглавление

Введение

Актуальность темы

Цель работы

Решаемые задачи

Научная новизна

Практическая ценность

Положения, которые выносятся на защиту

Достоверность положений и выводов диссертации

Апробация результатов диссертации

Публикации

Личный вклад автора

Структура и объем диссертации

Глава 1. Методы и техника исследования

Теория автоэлектронной эмиссии

Теория Фаулера-Нордгейма

Теория Мерфи-Гуда для уточненного анализа вольт-ампетных характеристик

Отклонения от теоретической модели для многоэмиттерных систем

Модифицированный измерительный стенд

Глава 2. Углеродные материалы и их эмиссионные свойства

Конструкционные материалы

Мелкозернистый плотный графит

Волокна

Пиролитический графит

Полиакрилонитрильные волокна

Наноструктуры. Углеродные нанотрубки

Электронные пушки из конструкционных материалов

Электронные пушки из углеродных волокон

Электронные пушки из углеродных нанотрубок

Глава 3. Испытание многоэмиттерных катодоно-модуляторных узлов

Метод моделирования

Модель многоэмиттерного автокатода

Испытание катодов на основе МПГ

Испытание катодов на основе пирографита

Испытание катодов на основе ПАН

Испытание катодов на основе УНТ

Конструкция многокатодного многоэмиттерного узла

Испытание многокатодных многоэмиттерных узлов из ПАН

Испытание многокатодных многоэмиттерных узлов из УНТ

Глава 4. Перспективы применения автокатодов из углеродных материалов в лампах

Пальчиковые лампы и источники света

Плоские лампы и источники света

Цилиндрические лампы и источники света

Сферические и квазисферические источники света

Особенности ультрафиолетовых ламп

Заключение

Список литературы

Введение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование автоэмиссионных свойств многоэмиттерных катодно-модуляторных узлов на основе углеродных материалов»

Актуальность темы.

Источники искусственного света являются важной частью нашей жизни. В жизни людей с каждым годом возрастает потребность в освещении для различных целей. Для этих целей ученые и инженеры создают огромное количество осветительных систем, разрабатываемых согласно специфических требований к яркости, габаритам, индексу цветопередачи и освещенности [1].

Параметры световой среды регулируются нормативными документами. Все источники света должны пройти обязательную сертификацию. С 2021 года действует технический регламент о требованиях к энергетической эффективности энергопотребляющих устройств, в котором, в частности, описаны обязательные требования по светоотдаче, энергоэффективности, индексу цветопередачи и ряду других технических параметров. При разработке источников света и их комплектующих необходимо учитывать данную нормативно-правовую документацию.

Существует несколько различных классов источников освещения. Искусственные источники света разделяют по физическим принципам их работы. Самые известные - тепловые источники света, или лампы накаливания. Их принцип действия основан на нагреве рабочего материала, из-за чего излучается видимый свет. Обычно они используются для освещения просторных площадок и улиц. В наше время такие самые обычные лампочки накаливания заменяются уже другими, куда более перспективными источниками света, у которых проявляется более высокая энергоэффективность, которые не воздействуют на окружающую нас среду, и которые сами не подвержены влиянию устойчивость к внешним воздействиям. Именно по этой причине ученые по всему миру активно

ищут новые технологии, исследуют альтернативные материалы и конструкции [2].

Другие по своей технологии источники света разделяются на две большие группы: светодиодные лампочки и катодолюминесцентные источники света. Светодиоды относятся к холодным источникам света, то есть не требующим накала. Их принцип работы основан на излучении светового потока на границе соприкосновения двух разных материалов-полупроводников, через которые пропускается ток. Чаще всего светодиоды можно встретить в системах подсветки и световых элементах видеоэкранов. Люминесцентные источники света включают в себя газоразрядные лампы. Эти лампы работают за счет тлеющего разряда, когда в парах ртути происходит свечение покрывающего поверхность колбы люминофора, или дугового разряда. Подобные лампы используются для освещения внутри помещений и для световой рекламы [3].

Но, к счастью, на этих вариантах поиск альтернатив не заканчивается. Уже стала реальной перспектива изобрести лампочку, базирующуюся на технологии основе автоэмиссии и имеющей в своем составе катод с модулятором. Каждый из указанных выше источников света обладает своими недостатками, например, неподходящим спектром излучения, низким КПД или имеет большое время на готовность к работе. А исследование свойств ламп на основе автоэмиссионных катодно-модуляторных узлов является очень актуальной и перспективной задачей, поскольку они позволяют создавать устройства с недостижимыми ранее параметрами [4].

Всем давно известны плюсы и достоинства автоэмиссионных электронных катодов по сравнению с другими источниками свободных электронов в контексте применения в осветительных лампах: это отсутствие в конструкции греющихся частей, высокая плотность тока их эмиссии, устойчивость при изменении внешних температурных условий, фактически отсутствие отклика к воздействию радиации, экспоненциально

высокая крутизна вольт-амперных характеристик такого прибора, что позволяет получать высокую светоотдачу. Все это является важными достоинствами при использовании в различных вакуумных приборах [5].

Для того, чтобы эффективно решить эту задачу, придумано делать эмиссионные катоды с такой специфичной эмитирующей поверхностью, которая по своей специфике обладает большим числом эмиссионных центров. Естественно, что в таких автокатодах автоэмиссионный ток каждого отдельного эмиссионного центра будет отличаться и будет пространственно неоднороден, но в процессе работы катода в совокупности поле катода будет практически однородно. Например, в некоторых углеродных материалах микровыступы, являющиеся сами по себе эмиттерами в многоэмиттерной системе, даже при различиях друг от друга в совокупности создают в целом равномерное эмиссионное поле для всего катода. Именно это совокупное поле позволяет использовать катоды в приборах самого различного назначения: в приборах СВЧ электроники, в дисплеях, в ультрафиолетовых лампах, в рентгеновских трубках [6, 7].

К настоящему дню остается актуальным поиск оптимальных материалов для таких многоэмиттерных катодов. Хочется подчеркнуть, что ряд материалы уже показали свою особенную эффективность и пригодность для использования в режиме автоэмиссии. В частности, это высокотехнологичные углеродные материалы. Такими материалами являются:

• Конструкционные углеродные материалы: высокопрочный мелкозернистный плотный графит МПГ-6 и пиролитический углерод;

• Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила (ПАН);

• Углеродные наноматериалы из нанотрубок.

Данные материалы имеют большие коэффициенты усиления поля благодаря особым наноструктурам на их поверхностях. Кроме того, данные четыре материала обладают большим потенциалом в области применения взрывной эмиссии. Это происходит за счет фазового перехода

на поверхности материала, которая вызывает мощный всплеск потока электронов и создает высокую плотность тока эмиссии [8].

Объектом исследования в данной работе являются разработка многоэмиттерных катодно-модуляторных узлов из углеродных материалов, а также исследование автоэмиссионных свойств таких катодов.

Цель работы.

Целью работы является экспериментальное исследование автоэмиссионных свойств многоэмиттерных катодов из углеродных материалов, а также особенностей их работы.

Решаемые задачи.

Для достижения заявленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследовать автоэмиссионные характеристики углеродных материалов;

2. Найти эффективную конструкцию для многоэмиттерного катодно-модуляторного узла;

3. Разработать и изготовить тестовые образцы многоэмиттерных катодно -модуляторных узлов из углеродных материалов;

4. Собрать вакуумную установку, испытательный стенд и исследовать полученные образцы автокатодов.

Научная новизна.

Научной новизной работы является следующее: 1. В работе испытаны наиболее перспективные на данный момент структуры из углеродных конструкционных, волокнистых и наноматериалов, подходящих для изготовления многоэмиттерных автокатодов.

2. Разработано устройство многоэмиттерного катодно-модуляторного узла на основе компьютерного моделирования и экспериментальных данных.

3. Впервые получены результаты измерения тока эмиссии для многокатодной многоэмиттерной конструкции с полиакрилонитрильными волокнами и углеродными нанотрубками.

4. Разработана комплексная методика измерения автоэмиссионных характеристик катодно-модуляторных узлов с углеродными материалами на новой вакуумной откачивающей установке и измерительном стенде.

Практическая ценность.

Значимость результатов диссертации состоит в том, что итоговые результаты будут использованы в дальнейших разработках, а именно для создания катодолюминесцентных ламп и прочих приборов вакуумной электроники. Найдена техническая возможность создать эффективный многоэмиттерного автоэмиссионного катод из углеродных материалов. Наработки, полученные в процессе проведения работы, будут переданы в производство для возможного тиражирования изготовления автоэмиссионных источников света с углеродным автокатодом.

Положения, которые выносятся на защиту.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:

1. В ходе эксперимента исследованы углеродные конструкционные, волокнистые и наноматериалы. Лучшие автоэмиссионные свойства продемонстрировали образцы из полиакрилонитрильных волокон и нанотрубок.

2. Разработанная модель и спроектированная конструкция для эффективного многоэмиттерного катодно-модуляторного узла.

3. Достигнутые новые результаты по плотности тока автоэмиссии с углеродных материалов (более 0,6 А/см2).

4. Разработанная вакуумная установка со стендом для испытаний углеродных катодов в автоэлектронном режиме.

Достоверность положений и выводов диссертации.

Выводы и заявляемые в диссертации положения считаются легитимными, так как они опираются на проверенные методики измерения и доказанные экспериментальными данными экспериментов, полученными по результатам исследования автоэмиссионных материалов. Достоверность результатов исследования подкреплена:

• применением актуальных методов анализа и интерпретации данных;

• соответствием теоретических расчетов и данных экспериментов;

• научно одобренным подходом к измерению лабораторных данных.

Теоретическая часть работы опиралась на исследование часто цитируемых российских и зарубежных авторов, на их книги, научные статьи, патенты и доклады на конференциях.

Обоснованность выводов диссертации подтверждена:

• проверенным математическим аппаратом для расчетов;

• проверкой адекватности результатов в сравнении с другими работами;

• внесением данных результатов в доклады, с которыми автор выступал на международных научных конференциях;

• размещением результатов в статьях, которые опубликованы в ведущих индексируемых научных журналах.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных и отраслевых конференциях: 1. Global science: development and novelty, г. Сеул, 2022

2. Концепции, теория и методика фундаментальных и прикладных исследований, г. Таганрог, 2022

3. General questions of world science, г. Берлин, 2022

4. Высшая школа: научные исследования, г. Москва, 2022

5. Global science: development and novelty, г. Сингапур, 2022

6. Science and innovations: development directions and priorities, г. Мельбурн, 2021

7. Графен и родственные структуры, г. Тамбов, 2021

8. Конференция МФТИ-64, г. Долгопрудный, 2021

9. Конференция МФТИ-63, г. Долгопрудный, 2020

10. Конференция МФТИ-62, г. Долгопрудный, 2019

Публикации.

Публикации по теме диссертации были опубликованы автором

достаточно полно в следующих научных работах:

1. [Индексируется базой данных RSCI] Материаловедение: / С. Шапошников // Многоэмиттерные катодно-модуляторные узлы - №10, 2022 - С. 21-23.

2. [Индексируется базой данных RSCI] Радиотехника: / С. Шапошников, А. Таикин, Е. Шешин, А. Бугаев // Исследование автоэмиссионных свойств многоэмиттерных катодов из углеродных нанотрубок - Т.86, №10, 2022 - С. 150-155.

3. [Индексируется базой данных RSCI] Электромагнитные волны и электронные системы: / С. Шапошников, А. Таикин, Е. Шешин, А. Бугаев // Многоэмиттерные катодно-модуляторные узлы на основе углеродных материалов - Т. 27, № 5, 2022 - С. 18-25.

4. [Индексируется базой данных RSCI] Нано- и микросистемная техника: / С. Шапошников // Исследование автоэмиссионных свойств

многоэмиттерных катодов из углеродных нанотрубок - Т. 24, № 6, 2022 - С. 279-282.

5. Тенденции развития науки и образования: / С. Шапошников // Устройство многоэмиттерного катодно-модуляторного узла - №86, 2022 - С. 153-155.

6. Тенденции развития науки и образования: / С. Шапошников // Разработка многоэмиттерного катодно-модуляторного узла из углеродных материалов - №88, 2022 - С. 155-157.

Личный вклад автора.

Автор сам участвовал в получении и анализе результатов настоящей диссертации. Автор принимал участие во всех процессах, которые потребовались для данного исследования, в проведении испытаний, в анализе экспериментальных данных, в разработке теоретической модели, в проектировании технической конструкции.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает в себя следующие части: введение, 4 главы основного содержания, источники литературы. Объем данной диссертации составляет 100 страниц, в который входят 49 рисунков, 1 таблица и 71 источник в списке литературы.

В первой главе постулируются теоретическое обоснование автоэлектронной эмиссии, теоретическая модель автоэмиссии для многоэмиттерных систем, а также методика испытаний катодов в режиме автоэмиссии.

Во второй главе описаны наиболее перспективные типы углеродных материалов, их получение, структура и эмиссионные свойства.

В третьей главе представлены методы визуализации эмиссионной картины, результаты экспериментов по автоэлектронной эмиссии в

однокатодном и многокатодном режимах. Кроме того, определена эффективная конструкция для многоэмиттерного катодно-модуляторного узла.

Четвертая глава посвящена применению автоэмиссионных катодно-модуляторных узлов в источниках света различного типа и назначения. Глава 1. Методы и техника исследования.

Теория автоэлектронной эмиссии.

Автоэлектронная эмиссия электронов с поверхности проводника в вакуум за счет воздействия приложенного сильного электрического поля — это физический эффект, сравнимый с термоэлектронной, фотоэлектрической или вторичной эмиссией. С точки зрения технической значимости автоэмиссионные диапазоны определенно стоят на последнем месте. Это связано с техническими трудностями, все еще возникающими при применении чрезвычайно сильных полей. Однако есть теоретическое понимание, по крайней мере, столь же полное, как и понимание других механизмов электронной эмиссии. Если считать назначением катода эмиссию как можно большего числа электронов из почти неисчерпаемого резервуара внутри металла, то полевой эмиттер превосходит все другие катоды, поскольку легко достигается плотность тока в миллионы ампер на см2. Автоэлектронная эмиссия, таким образом, заслуженно стала привлекательным предметом исследований, что видно из исторического развития. Квантовомеханическая теория автоэлектронной эмиссии металлов хорошо известна и подтверждена экспериментально. Из таких экспериментов возник автоэмиссионный микроскоп, открывший путь для исследования различных поверхностных явлений с помощью автоэмиссии, таких как адсорбция на различных плоскостях кристалла, поверхностная миграция и десорбция. В качестве совершенно нового эффекта была открыта автоэмиссия, которая использовалась для изучения поведения

поверхностей в полях до 500 миллионов вольт на см. Мы ограничимся обсуждением автоэлектронной эмиссии электронов в вакуум или в газ очень низкого давления.

Автоэлектронная эмиссия, также известная как полевая эмиссия, представляет собой эмиссию электронов, индуцированную электростатическим полем. Наиболее часто говорят об автоэлектронной эмиссии с поверхности твердого в вакуум. Однако автоэмиссия может происходить и с жидких поверхностей, а также в жидкость или в воздух. Приложенное сильное поле вызывает перемещение электронов из валентной зоны в проводящую зону, и это также называют автоэмиссией. В целом все подобные эффекты в статических и почти статических электрических полях имеют схожую природу и открыты примерно в одно время, в конце 19 и начале 20 веков [9].

Для того, что объяснить эффект автоэмиссии, был использован квантовый эффект туннелирования электронов, который также был открыт в начале 20 века. Теория автоэмиссии была впервые открыта на примере металлов Ральфом Х. Фаулером и Лотаром Вольфгангом Нордгеймом, в честь которых и были названы знаменитые уравнения Фаулера -Нордгейма и соответствующая теоретическая модель. Хотя по своей сути теория Фаулера-Нордгейма была составлена для автоэмиссии из металлов, она также вполне эффективно и показательно применяется для описания подобных эффектов и в других типах материалов.

Теория Фаулера-Нордгейма.

Теория Фаулера-Нордгейма является элементарной теорией автоэлектронной эмиссии. На основе упрощенной модели полевой электронной эмиссии и ряда предположений Фаулер и Нордгейм дали аналитическую формулу взаимосвязи плотности тока автоэмиссии приложенного электрического поля (7 от F). Эта формула успешно описывает основное поведение эмиссии электронов с поверхности и

становится основным уравнением автоэлектронной эмиссии. Основные понятия и методы теории Фаулера-Нордгейма являются основой и отправной точкой теории автоэлектронной эмиссии не только для металлов, но и для более сложных систем, таких как полупроводники и наноматериалы. В следующих разделах мы представляем теорию Фаулера-Нордгейма и ее обобщение [10].

Суть автоэлектронной эмиссии состоит в том, что через кристаллическую решетку на поверхности проводника проникают электроны, то есть они квантовомеханически туннелируют через потенциальный барьер. Под воздействием приложенного сильного электрического поля происходит искривление потенциального барьера на границе раздела поверхности металла в вакуум, благодаря чему в пространстве за пределами самого твердого тела появляется такая область, в которой электрон может находиться с той же энергией, что он находился в самом твердом теле. То есть само явление автоэмисии возможно благодаря волновым свойствам электрона [11].

Фаулер и Нордгейм предложили свою теорию в 1928 году. Она решаем квантовомеханическую задачу о туннелировании электрона сквозь потенциальный барьер на границе металла с вакуумом. Это этой границе перпендикулярно приложено сильное электрическое поле. В итоге была получена основная формула, описывающая автоэмиссию. В ней описывается зависимость плотности тока автоэмиссии j от напряженности внешнего электрического поля Е:

) (1.1)

где ф - работа выхода электрона из материала, а коэффициенты А и В - константы, представляющие собой некоторую совокупность уже существующих констант:

АЕ 2 Г

] =-ехр

<Р

А = = 1.541.10- ^ в = = 6.831 • 1С-В-

В2 3 еП эВ м

Формула Фаулера-Нордгейма (1.1) имеет достаточно приближенный характер. Уравнение фактически применимо одномерной ситуации, когда эмитирующая поверхность проводника представляет собой бесконечную плоскость, перпендикулярную направлению приложенного внешнего электрического поля.

Также нужно иметь в виду тот факт, что уравнение Фаулера-Нордгейма может быть применимо только при температуре Т = 0 К. При этом если температура увеличится, то распределение электронов сместится на величину не более кТ относительно уровня Ферми, то есть ситуацию по распределению электронов в металле практически не изменится. Это означает, что мы можем применять такую теоретическую модель при обязательном условии кТ много меньше << ф . Так как характерное значение работы выхода для углеродных материалов, исследуемых в данной работе, составляет от 4 до 6 эВ, то теория Фаулера-Нордгейма вполне применима, т.к. то время как при лабораторной температуре ^^2,7-10-2 эВ, формула верна.

Все эти формулы подходят для нашего исследования. В то же время в эксперименте мы измеряем зависимость полного тока автоэмиссии I от приложенного от источника напряжения и. Поэтому можно вывести более простую формулу. Для начала напряженность поля пропорциональна приложенному напряжению и, ток автоэмиссии пропорционален площади эмитирующей поверхности S, то есть 1 = $, Е = ри, где параметр в - форм-фактор катода, то есть характерный параметр, зависящий от геометрии катода и от межэлектродного расстояния. Форм-фактор - это фактор усиления поля.

Таким образом, можно привести уравнение к следующему виду:

7 аЛри2 ( Бр3/2Л I = Л-exp--

р Ч ри

(1.2)

Заметим, что данное выше уравнение получено для одноэмиттерных систем, когда эмиссия идет с 1 острия с фактором в). Но для исследуемых в данной работе автокатодов характерно наличие очень большого числа эмиссионных центров на их рабочей поверхности. То есть у нас нашем многоэмитерный случай, имеется массив эмиссионных центров, и тогда пренебрегая взаимным влиянием центров и экранировкой, можно привести к простому выражению для общего тока с катода:

* , где II - ток 1-го отдельного центра.

При условии небольшого разброса значений форм-фактора

эмиссионных центров, то есть квазиоднородности поверхности, которой

можно достичь с помощью травления катода, форм-фактор каждого

1 N

Р= N ^ Р

отдельного центра можно заменить их средним значением: ^ * , где N - число таких эмиссионных центров.

В итоге мы дошли до такой формулы, описывающей связь полного тока катода I и приложенного к поверхности напряжения и:

I, = ^ ехр( Вр

Р

( о,„3/2 Л

(1.3)

Ри

^ У

Л = £ Л

где * - суммарная площадь рабочей поверхности автокатода.

В практическом исследовании экспериментальную зависимость автоэмиссионного тока от приложенного напряжения можно свести даже к еще более простой функции обычно аппроксимируют функцией, представленной на рисунке (а) на рис. 1:

V и У (1.4)

I = Ли2 ехр

1 I 1

1п — —

В специальных координатах Фаулера-Нордгейма ( и 2 от и ) при построении зависимости тока от напряжения мы должны будем получить прямую линию (б) на рис. 1:

1П-4 = А" + в-

и2 и (1.5)

Заметим, что тангенс угла наклона для этой прямой показывает значение параметра в" = -в', а точка пересечение с осью ординат - это численное значение параметра А = 1п А.

На основании теоретического уравнения для полного автоэмиссионного тока можно описать связь экспериментально определяемых коэффициенты А,Л и В,Л со специфическими параметрами катода ф, Р1:,

(

А" = 1п А = 1п

в" = - в" = - в

БА

ф

2Л

.3/2

ф

д

(1.6)

(1.7)

а) б)

Рис. 1. График тока автоэмиссии от приложенного напряжения: а) в нормальных координатах; б) в координатах Фаулера-Нордгейма.

Выражая из формул (1.6) и (1.7) параметры S и в, мы получаем:

(1.8)

в 3

д = -г ф

( о" Л

5 =-

А

в

V BФJ

(1.9)

На рис. 2. представлены графики зависимостей коэффициентов АЛ и ВЛ от параметров катода и его материала ф, вt , .

График л" от St

График в" от St

Рис. 2. Зависимость полученных экспериментально коэффициентов от характерных параметров катода.

Теория Мерфи-Гуда для уточненного анализа вольт-амперных характеристик.

Теория ученых Мерфи и Гуда была представлена в 1956 году. Они фактически объединили теорию термоэлектронной и теорию автоэлектронной эмиссий, то есть приблизили модель к реальной ситуации, когда электроны испускаются в зоне термо-автоэлектронной эмиссии [12].

Полученная ими формула при очень низких температурах сводится к обычному уравнению Фаулера-Нордгейма (1.1), но с уточненными коэффициентами А и В:

j = a—exp Р

где

A = ■

-B

Р

(1.10)

8жк t2

4ëE j (4JE

р

3 еП

V Р У

а специальные функции t(y) и v(y) определяются формулами:

v

( y )=

-Jf h Ш

ф

+ y

E

h—У

il + y

+ ( У +1) K -yK

y-

' 2 y

, y > 1,

1 - y 1+y

, y < 1.

t ( y ) = v( y )-2y dv V' У ' 3 dy

Эллиптические интегралы Е[к] и К[к] определяются соотношениями:

/2

K [ k ]=J

dd

"2

é - k2 sin2 в

, E [k ] = JV1 - k2 sin2 вde.

3

e

0

0

1п(V 2) 1

Кривая графика зависимости \/и ' от /и является практически прямой линией в той области напряжения, которая характерна для типичного автоэмиссионного эксперимента.

Согласно соотношениям (1.6) и (1.7), коэффициенты А" и в" в

уравнении

А " = 1п

'(1и 2

1п | I 2 | = А + В".

и

определяются формулами:

5 д2

8жИ

ф1

ф

4^2^ ф32

3 е% ди

V

ф3ди 1 (урди

ф

V J

ф

V J

32 г

„ 4 42т ф в =----5

Ъе Ь р

J

—л

(111)

«¡ёДи ф

(1.12)

где

5 ( У ) = у( у )- — —

V• ' V• ' 2 dy

Графики зависимостей v(y), t(y) и s(y) изображены на рис. 3:

Рис. 3. Графики функций s(y), ^у) и v(y).

Отклонения от теоретической модели для многоэмиттерных систем.

В общем случае автоэлектронная эмиссия, которую в различной литературе еще называют полевой или холодной эмиссией, описывается теорией Фаулера-Нордгейма. Автоэлектронная эмиссия является единственным видом эмиссии, не требующем для своей реализации предварительного возбуждения электронов, такого как, например, нагрев. Уравнение, предложенное Фаулером и Нордгеймом, описывает формулу зависимости плотности автоэмиссионного тока от напряженности электрического поля.

В экспериментах с углеродными многоэмиттерными катодами было обнаружено определенное отклонение вольт-амперной характеристики вниз от фаулеровской кривой в области больших напряжений. Также на кривой в области больших напряжений и токов происходит существенный рост равномерности эмиссии. Как показали эксперименты, этот эффект обусловлен влиянием проводимости материала катода. В случае с многоэмиттерными катодами из углеродных материалов эмиссионный ток возникает не только на центральном острие. По мере роста напряжения ток с центрального острия ослабевает, и усиливается ток на периферийных остриях. За счет этого при росте напряжения для многоэмиттерного катода суммарный ток будет так же расти, а в эмиссии будут участвовать новые, менее выступающие на поверхности эмиссионные центры [13].

Если рассмотреть предельный случай, при бесконечно большом напряжении эмиттировать должны были бы все выступы на поверхности катода, причем с примерно одним и тем же значением тока. Получается, что величины токов различных выступов тем меньше различаются, чем выше сопротивление материала, то есть сопротивление здесь выступает в роли уравнивающего механизма. Вот такое изменение в традиционной

теории Фаулера-Нордгейма получено в случае многоэмиттерной системы для автоэмиссионных катодов.

Таким образом, вид поверхности влияет на форму вольт-амперной характеристики. А в случае с многоэмиттерной системой большое количество эмиссионных центров обеспечивает стабильный рост тока эмиссии по мере увеличения приложенного напряжения.

Модифицированный измерительный стенд.

В нашей лаборатории была спроектирована и собрана новая вакуумная установка с измерительным стендом для испытания катодов в автоэмиссионном режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шапошников Сергей Сергеевич, 2023 год

Список литературы.

1. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы: учебник-монография. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 508 с.

2. Бугаев А.С., В.Б. Киреев, Е.П. Шешин, Колодяжный А.Ю. Катодолюминесцентные источники света (современное состояние и перспективы). Успехи физических наук. - 2015. - Т. 185. - № 8. - C. 853-883.

3. Leychenko A.S., Starikov P.A., Shehin E.P. Electron source based on the carbon foil field emission cathode. Proceedings of IFES. — 2008.

4. Ozawa L. Cathodoluminescence: theory and applications. Tokyo, Japan: Kodansha, 1990.

5. Шешин Е.П. Структура поверхности и авто- эмиссионные свойства углеродных материалов. — М.: МФТИ, 2001.

6. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Шешин Е.П. Автоэлектронные эмиттеры с развитой рабочей поверхностью. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. № 10. С. 44-47.

7. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Шешин Е.П. Стабильность эмиссии и долговечность некоторых вариантов автокатодов. - Радиотехника и электроника, 1983, т.28, № 8, с.1649.

8. Каданцева А.И., Тверской В.А. Углеродные волокна: учебное пособие. М.: МИТХТим. М.В. Ломоносова, 2008. 47 с.

9. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Квантовая механика - М.: Наука, 1974.

10. Nordheim L.W. Proc. Roy. Soc. 1928 - V. A121 - P. 626.

11. R. H. Fowler, L. Nordheim. Proc. Roy. Soc. of London, A 119, 173 (1928).

12. Murphy E.L., Good R.H. Phys. Rev. - 1950. - 80. - 887.

13. G. Fursey, Field Emission in Vacuum microelectronics. Kluwer Academic/Plenum Publishers, NY (2005).

14. Уббелоде А.Р., Льюис Ф.А. Графит и его кристаллические соединения. Пер. с англ.. М.: Мир, 1965. 256 с.

15. Baily, A.C. Anisotropic thermal expansion of pyrolytic graphite at low temperatures. Journal of Applied Physics. 1970. P. 5088.

16. Silva S.R.P., Forrest R.D., Khan R.U. Tailiring of the field emission properties of hydrogenated amorphous carbon thin films by nitrogen incorporation and thermal annealing. - Diamond and Related Materials, 2000, 9, 1, p. 1205-1209.

17. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C. et al. C60: Buckminsterfullerene. - Nature, 1985, v.318, p.162.

18. Celzard A. Modelling of exfoliated graphite. A.Celzard, J.F.Mareche, G.Furdin. -Progress in material science, 2005. - том 50. - с. 93-179. Библиогр. с. 175-179.

19. Сорокина Н.Е. Интеркалированные соединения графита акцепторного типа и новые углеродные материалы на его основе. Н.Е.Сорокина, И.В.Никольская, С.Г.Ионов, В.В.Авдеев. - Известия академии наук. Серия химическая, 2005. -том 8. - с. 1-18. Библиогр. с.16-18.

20. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров, М. Мир, 1967.

21. А.С.Фиалков. Углеграфитовые материалы, М.: Энергия. 1979.

22. H.O. Pierson. Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerens, Park Ridge, New Jersey. 1995. 399 p.

23. Хакимова Д.К., Маслова Э.В., Филимонов В.А. и др. Рентгеноструктурное исследование продуктов карбонизации фенолформальдегидной и фуролфенолформальдегидной смол, Конструкционные материалы на основе графита. Сб. трудов, N7, М. Металлургия, 1972, с.98-106.

24. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Рыбаков Ю.Л. и др. Влияние шероховатости поверхности автокатодов на их эмиссионные характеристики. - Радиотехника и электроника, 1987, т. 32, №12, с.2606-2610.

25. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Шешин Е.П. Модель микрорельефа автокатода с развитой рабочей поверхностью. - В кн.: Физические явления в электроприборах. - М.: МФТИ, 1986, с.18-21.

26. Бондаренко Б.В., Шешин Е.П. и др. Исследование эрозии углеродных автокатодов в камере РЭМ. - Электронная техника. Сер.4. ЭРГП, 1986, №3, с. 8-12.

27. Суворов А.Л., Шешин Е.П., Простасенко В.В. и др. Микрошероховатые плоские автоэмиссионные катоды из графита, полученные радиационным способом. -ЖТФ, 1996, т.66, №7, с.156-160.

28. Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. The carbon fiber filed emitter. - J. Phys. D, Appl. Phys., 1974, v.7, 15, p. 2105-2115.

29. Watt W. Production and properties of high modulus carbon fibres. - Proceedings of the Royal Society A319. 1970. № 1536, p. 5.

30. Углеродные волокна и углекомпозиты. Под ред. Фитцера Э. - М.: Мир, 1988.

31. Бондаренко Б.В., Ильин В.Н., Шешин Е.П. и др. Эмиссионные характеристики автокатодов из пластин пирографита, Электронная техника, Сер. 1, Электроника СВЧ, 1988, N1, с. 34-38.

32. Ильин В.Н., Шомин Д.А., Погорелова В.И. Автоэлектронная эмиссия пирографита, Тезисы докладов ХХ Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, Киев, 1987, Т1, с. 235.

33. Baturin A.S., Eskin I.N., Trufanov A.I. et al. Electron gun with field emission cathode of carbon fiber bundle. - J. Vac. Sci. Technol., 2003, v. B21, №1, p. 354-357.

34. Baker F. S., Osborn A.R., Williams J. Field emission from carbon fibers: A new electron source. - Nature, 1972, v.239, p.96.

35. Colin Lea. Field emission from carbon fibres - J. Phys. D: Appl. Phys., 1973, V. 6, p. 1105-1114.

36. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Рыбаков Ю.А., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия стержневых графитовых катодов. - В кн.: Физические явления в приборах электронной и лазерной техники. - М.: МФТИ, 1981, с. 11-15.

37. Шешин Е.П., Макуха В.И., Рыбаков Ю.Л. Эмиссионные свойства стержневых автокатодов из графита. - В кн.: Тезисы докладов 18 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. - М.: Наука, 1981, с.210.

38. Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия углеродного волокна. - Радиотехника и электроника 27, 1982, № 8, с.1593.

39. Макуха В.И., Шешин Е.П. О возможности получения больших автоэмиссионных токов из графита. - В кн.: Физические явления в приборах электронной и лазерной техники. - М.: МФТИ, 1983, с.22.

40. Iijima S. Herical microtubules of graphitic carbon. - Nature, 1991, v.354, p.56.

41. Косаковская З.Я, Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура. - Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, вып.1, с.26-30.

42. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaya Z. Ja. et al. Field emitter arrays on nanotube carbon structure films - J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, v.13, p. 435-436.

43. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. - Успехи физических наук, 1997, т.167, №9, c.945-972.

44. Saito Y., Hata K., Takakura A., Yotani J., Uemura S. Field emission of carbon nanotubes and its application as electron sources of ultra-high luminance light source devices // Physica B: Condensed Matter. 2002. V. 323. Is. 1-4. P. 30-37.

45. Murakami H., Hirakawa M., Tanaka C., Yamakawa H. Field emission from well-aligned, patterned, carbon nanotube emitters // Applied Physics Letters. 2000. V. 76. Is. 13. P. 1776-1778.

46. Knapp W., Schleussner D., Baturin A.S., Yeskin I.N., Sheshin E.P. CRT lighting element with carbon field emitters // Vacuum. 2002. V. 69. Is. 1-3. P. 339-344.

47. Obraztsov A.N. Vacuum electronic applications of nano-carbon materials, in: Nanoengineered Nanofibrous Materials. Eds. by S. Guceri et al. NATO Science Series II. V. 169. Dodrecht: Kluwer Academic Publishers. P. 329-339.

48. Шешин Е.П., Колодяжный А.Ю., Шорникова А.Л. Исследование автоэмиссионных свойств массивов радиально-ориентированных многостенных углеродных нанотрубок. Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2015. №1. С. 16-21.

49. Багдасарян С.А., Налимов С.А. Строение и эмиссионные свойства структур на основе углеродных наностенок и нитрида алюминия. Наукоемкие технологии. 2021. №1. С. 56-64.

50. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства. Успехи физических наук. 2002. № 4(172). С. 401-438.

51. Елецкий А.В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок. Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 9. С. 897-930.

52. Endo M., Koyama T., Hishiyama Y. Structural Improvement of Carbon Fibers Prepared from Benzene. Japanese Journal of Applied Physics. 1976. V. 15. Is. 11. 2073 c.

53. Saito Y., Uemura S., Hamaguchi K. Cathode Ray Tube Lighting Elements with Carbon Nanotube Field Emitters. Japanese Journal of Applied Physics. 1998. № 37. P. L346-L348.

54. Obraztsov A.N., Volkov A.P., Zakhidov A.A., Lyashenko D.A., Petrushenko Yu.V., Satanovskaya O.P. Field emission characteristics of nanostructured thin film carbon materials. Applied Surface Science, 215. 2003, P. 214-221.

55. Huang J.X., Deng S.Z., She J.C., Xu N.S. Optimization of carbon nanotube cathode for a fluorescent lamp. Proceedings of the IVNC'2005, P. 284.

56. Qin X., Lu Y., Xiao H., Wen Y., Yu T. A comparison of the effect graphitization on microstructures and properties of polyacrylonitrile and mesophase pitch-based carbon fiber. Carbon 50. 2012. P. 4459-4469.

57. Дроздов С.С., Масленников О.Ю., Смирнов В.А., Судаков Ю.С. Многолучевой источник электронов для мощных электровакуумных приборов. XI научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника»: сборник материалов конференции. - 2004. - С. 312 - 316.

58. Кириллов А.И., Объедков А.М. и др. Создание с помощью MOCVD-технологии наноструктурированных композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок. - Нанотехника. - 2011. - № 1. - 72-78.

59. Объедков А.М., Каверин Б.С., и др. Макроцилиндры на основе радиально-ориентированных многостенных углеродных нанотрубок. - Письма о материалах. - 2012. - Т. 2. - 152-156.

60. Jonas T., Demir H.V. Field emission light source // EP3035368A1, 2014.

61. Qiuhong H. An anode in a field emission light source and a field emission light source comprising the anode EP1709665A1, 2004.

62. Gorecka-Drzazga A. et. al. Field-emission light sources for lab-on-a-chip microdevices, Bulletin of the polish academy of sciences technical sciences, Vol. 60, No. 1, 2010.

63. Choi Kwi Seok, Lee Sang Jin, Kim Jae Myung. FED Devices Containing a Novel Graphite Cathode Prepared by a Screen Printing Process, IVMC 1999 Darmstadt, Germany, July 6-9, 1999.

64. Wang Wen-Chun, Lee Chen-Chung, Sheu Jyh-Rong, et. al. Low-cost fabrication of triode structure carbon nanotube field emission display, VMC 2001 University of California, Davis, California, USA, August 12-16, 2001.

65. A.N. Obraztsov, I.Yu. Pavlovsky, A.P. Volkov Prototype of Light Emitting Device with Thin Film Cold Cathode. Proceedings of the 19th Int. Display Research Conf., 1999, p. 229-231.

66. Yong-Jun Jung, Jae-Hong Park, Jin-Su Jeong et al. Fabrication and characteristics of flat lamp with CNT based triode structure for back light unit in LCD. Proceedings of the IVNC'2005. P. 202-203.

67. I. Arfaoni et al, Toward lighting devices and flat panel displays based on carbon nanotube field emitter, IVESC'02, PROC., p. 139.

68. J.X. Huang, Jun Chen, S.Z. Deng, J.C. She, N.S. Xu Optimization of carbon nanotube cathode for a fluorescent lamp. Proceedings of the IVNC'2005, p. 284.

69. V.S. Kaftanov, A.L. Suvorov, E.P. Sheshin US Patent № 6008575, 1999.

70. Yih-Ming Liu, Meng-Jey YOUH Field emission cathode and field emission light using the same. US9064669B2, 2013.

71. Tirén J. Shaped cathode for a field emission arrangement. EP2784800B1, 2013.