- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 4
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ 9
1.1. Автоэлектронные катоды различных типов ......... 9
1.2. Стабильность работы автоэлектронных катодов 22
1.3. Автоэлектронные катоды на основе многоост-рийных систем нитевидных кристаллов ....... 31
1.4. Вопросы механизма и кинетики роста нитевидных кристаллов...................................... 36
1.5. Постановка задачи диссертации.................. 42
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ
МНОГООСТРИЙНЫХ СИСТЕМ НИТЕВИДНЫХ И ДЕНДРИТНЫХ
КРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ
ИХ КАРБОНИЛОВ В УСЛОВИЯХ РАЗРЯДА В СИЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИХ
ЭМИССИОННОЙ СПОСОШОСТИ.............................. 45
2.1. Задачи главы .................................. 45
2.2. Разработка методики получения многоострийных систем V/, Мо, С г - дендритов в разряде
в парах Ме(СО)Р в сильных электрических полях и сравнительная оценка их эмиссионной способности.................................... 47
2.3. Исследование кинетики и механизма роста дендритных систем на основе вольфрама .............. 54
2.4. Исследование оптимальных условий формирования дендритных систем на основе вольфрама и выяснение их связи с эмиссионной способностью 65
2.5. Выводы из главы 2.............................. 77
ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ РОСТА НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ................ 79
3.1. Задачи главы....................................... 79
3.2. Условия эксперимента и результаты................. 80
3.3. Обсуждение результатов............................. 94
3.4. Выводы из главы 3..................................103
- 3 -
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ШОГООСТРИЙНЫХ АВТОЭЛЕКТРОННЫХ КАТОДОВ
НА ОСНОВЕ ДЕЦДРИТОВ ВОЛЬФРАМА ДЛЯ РАЗЛИЧНОГО
ПРИМЕНЕНИЯ В ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ................104
4.1. Задачи главы................................ 104
4.2. Формирование низковольтных автоэлектронных эмиттеров..........................................106
4.3. Разработка принципа параллельного формирования одновременно работавших автоэлектронных эмиттеров и его использование при создании вакуумных люминесцентных индикаторов ячеистой структуры......................................III
4.4. Пути увеличения общего уровня автоэлектронного тока при параллельной работе эмиттеров .... 119
4.5. Выводы из главы 4 .......................... 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................123
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА......................................128
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в развитии вакуумной электроники, охватывающей приборы с управляемыми потоками электронов и ионов в вакууме, связан с изысканием новых, более эффективных механизмов получения эмиссии заряженных частиц, новых источников свободных электронов - катодов. В настоящее время убедительно доказана перспективность использования в качестве источников заряженных частиц полевых электродов, работающих на основе явлений автоэлектронной и взрывной эмиссий, автоионизации и полевой десорбции. Преимущества, связанные с применением в электровакуумных приборах автоэмиссионных источников электронов по сравнению с другими типами катодов, хорошо известны. Высокая плотность эмиссионного тока при малых значениях энергетического разброса электронов, безынерционность, экономичность и другие свойства позволяют открыть качественно новые возможности в создании приборов электронной техники и развитии физических методов исследования. Однако практическое использование эмиттеров наталкивается на ряд серьёзных проблем, связанных с трудностями в преодолении недостатков автоэлектронных катодов.
К наиболее существенным недостаткам таких катодов, препятствующим их широкому внедрению в электронную технику, следует отнести:
- малые значения полного тока, составляющие обычно величины порядка единиц микроампер, недостаточные для работы катодов в электровакуумных приборах широкого применения;
- высокие значения управляющих напряжений, приводящие к трудностям при работе и использовании электронных потоков большой энергии;
- нестабильность эмиссионных свойств катодов, их недостаточная надёжность и малый срок службы ( - зависящий, в основном, от
- 5 -
качества вакуума в цриборе );
- трудности в создании воспроизводимой технологии получения эмиттеров с повторяемыми характеристиками.
Одним из основных недостатков автокатодов является недостаточная стабильность эмиссии при длительной эксплуатации. Задача повышения стабильности и срока службы автоэлектронных катодов гложет быть решена и решается в настоящее время при обеспечении сверхвысокого вакуума в области эмиттера. Однако необходимые для этого давления остаточных газов порядка IO-^® + IO--*--*- Topp достижимы только в лабораторных условиях и затраты на получение сверхвысокого вакуума в приборах, где возникает необходимость в использовании автоэлектронных катодов, бывают порой неоправданными.
Другим направлением повышения стабильности работы автоэлектронных эмиттеров являются пути снижения потенциала возбуждения автоэлектронной эмиссии и снижения плотности отбираемого тока.
Поэтому задачи создания стабильных автоэлектронных эмиттеров предусматривают разработку технологических принципов, обеспечивающих надёжное формирование низковольтных эмиттеров ( управляющее напряжение сотни вольт ) со стабильной эмиссией при работе в техническом вакууме ( 10"^ Topp ) и технологическую воспроизводимость параметров катодов ( независимо от квалификации оператора ).
Задача разработки сильноточных, низковольтных стабильных автоэлектронных эмиттеров решается путём создания эффективных эмитирующих поверхностей больших размеров. Это возможно при использовании многоострийных систем со значительным числом одновременно работающих эмиттеров.
Представляется перспективным создание автоэлектронных катодов на основе многоострийных систем нитевидных кристаллов, поскольку многоострийные системы позволяют получить большие общие значения
- 6 -
токов и при соответствущей геометрии единичных эмиттеров снизить рабочие напряжения до значений, характерных для обычных электронных приборов. Идея использования многоострийных систем нитевидных кристаллов в качестве автокатодов реализуется в ряде работ [ 41, 81, 82, 112 У. Однако проблема создания низковольтных автокатодов со стабильной эмиссией для работы в стационарном режиме полностью ещё не решена [ 9 ]. Наиболее перспективным для решения поставленных задач нам представляется использование многоострийных систем нитевидных кристаллов и их дендритных образований тугоплавких металлов, получаемых при разложении гексакарбонилов металлов в условиях разряда в сильных электрических полях /"121-127 ]. Предлагаемый способ получения многоострийных систем интересен возможностью создания на его основе управляемого процесса формирования катодов.
Проблема разработки технологических принципов формирования сильноточных, низковольтных автоэлектронных эмиттеров на основе управляемого выращивания систем нитевидных кристаллов и их дендритных образований предусматривает углублённое исследование процессов зарождения и роста нитевидных кристаллов, механизма их роста. Сам механизм роста нитевидных кристаллов интересен и в теоретическом плане для физики кристаллизации в целом возможностью вскрыть особенности роста кристаллов в условиях конденсации атомов металлов при высоком вакууме в электрическом поле и без поля, по методу "пар-жидкость-кристалл", в электрическом разряде в парах карбонила и др.
Задачи, решаемые в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:
- разработка методики исследования дендритов тугоплавких металлов и условий их формирования для оптимизации их по эмиссии;
- 7 -
- исследование кинетики и механизма роста систем нитевидных кристаллов и создание на его основе управляемого процесса формирования многоострийных автоэлектронных катодов;
- создание технологических принципов формирования низковольтных автоэлектронных эмиттеров на основе дендритов тугоплавких металлов для различного применения в вакуумной электронике.
В результате выполненного исследования сформулированы следующие научные положения.
I. В основе механизма роста дендритных образований нитевидных кристаллов вольфрама при разложении гексакарбонила вольфрама в разряде в сильных электрических полях так же, как и для других нитевидных кристаллов, выращенных из пара, лежит диффузионный принцип роста с различием лишь в способе подвода материала к растущему кристаллу.
2. При большой скорости подвода материала к растущему кристаллу установлены две стадии роста - быстрая и медленная; скорость роста нитевидных кристаллов на начальном этапе достигает аномально высоких значений(порядка 10 см/с); при этих скоростях роста выделение теплоты кристаллизации приводит к перегреву нитевидного кристалла и прекращению быстрой стадии роста.
3. Скорость осаждения материала на подложку при росте нитевидных кристаллов является определяющим фактором, влияющим на исходные параметры многоострийного катода на основе нитевидных кристаллов и является регулятором управления процессом роста.
В результате выполненных исследований предложена модель роста нитевидных кристаллов с учётом энергетики процесса кристаллизации, проанализированы стадии роста и механизм их смены. Это позволило определить технологические принципы формирования микрорельефа многоострийных низковольтных автоэлектронных эмиттеров
- 8 -
на основе дендритов вольфрама для стационарного режима с достаточно высокой технологической воспроизводимостью. Предложенные решения создания низковольтных автоэлектронных эмиттеров защищены авторским свидетельством. Результаты исследования могут быть использованы при создании приборов с автоэлектронными катодами для различных целей: вся проделанная работа была направлена не только на решения ряда теоретических вопросов, но и на ускорение промышленного использования автоэлектронных ( полевых ) эмиттеров данного типа.
- 9 -
ГЛАВА I
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ
1.1. Автоэлектронные катоды различных типов
Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов твердыми и жидкими образцами, помещенными в сильное электрическое поле (отсюда другое её название - полевая эмиссия). Этот вид эмиссии был впервые обнаружен Р.Вудом в 1897 г. Впервые теоретическое объяснение природы автоэлектрон-ной эмиссии, с точки зрения волновых свойств электрона, получившее хорошее экспериментальное подтверждение, было дано Фаулером и Нордгеймом в 1928 г. Основные положения теории ав-тоэлектронной эмиссии и экспериментальное их подтверждение опубликованы в ряде учебников и работ обзорного характера /■1-7 7.
В настоящее время наряду с расширением исследований авто-электронной эмиссии, как физического явления, выделилось новое направление, связанное с практическим использованием этого вида эмиссии и разработкой эффективных автоэлектронных катодов /*9 7« Такие эмиттеры, по сравнению с широко используемыми термоэлектронными катодами, обладают рядом известных преимуществ, наиболее существенными из которых является отсутствие необходимости подведения мощности для возбуждения электронов. Несомненными достоинствами автоэлектронных катодов являются малое время готовности, высокие значения крутизны вольт-ам-перной характеристики, малые размеры катода при огромных плотностях тока, достаточная устойчивость к воздействию проникающей радиации и др.
Успехи в области автоэмиссионной электроники могут привести к созданию ряда экономичных электровакуумных приборов,
- 10 -
способных эффективно заменить в некоторых областях приборы с термоэлектронными катодами, открыть качественно новые возможности в создании приборов электронной техники и развитии физических методов исследования.
Началом практического применения автоэлектронной эмиссии можно считать создание в конце 30-х годов автоэлектронного микроскопа-проектора: автоэлектронные катоды в виде металлических острий, помещенных в сферическом приборе с экраном, получили широкое применение в ряде важнейших исследований твердого тела: кристаллографической анизотропии эмиссии и адсорбции, поверхностной миграции анатомов, их испарения и т.д. /"5, 7, 13 ]. Разрешающая сила в этих приборах позволяла вести наблюдения над поведением даже отдельных молекул. Интересные работы, проведенные с' помощью электронного проектора, позволили оценить анизотропию работы выхода электронов у граней кристаллов ряда металлов и изучить влияние на неё адсорбции различных атомов У 7, 8, 13, 86 /. В послевоенное время были активно предприняты попытки по использованию автокатодов для получения потока свободных электронов большой плотности и использования их в мощных импульсных рентгеновских приборах и приборах СБЧ диапазона У 14 - 18 У, электронно-лучевых приборах, обладающих повышенной яркостью свечения и высокой разрешающей способностью. Заслуживают определенного внимания работы последнего десятилетия по реализации микроострийных матричных элементов методом пленочной технологии [ 19 - 21 ] для использования их в качестве активных элементов вычислительных устройств.
Первые отечественные работы по автоэлектронной эмиссии принадлежат Лукирскому /” 10, II /. Работы Зернова и Елинсона У12 У, а позже Елинсона и сотрудников [1 ] послужили началом систематическому изучению автоэлектронных катодов в нашей стране. Эти
- II -
работы были направлены в основном на исследование факторов, определяющих стабильность автоэлектронной эмиссии в отношении влияния таких факторов, как адсорбция посторонних атомов, ионной бомбардировки и катодного распыления и т.д.; были предложены 11 электрические затворы”, препятствующие катодному распылению эмиттера, а также предложены новые материалы для авто эмиттеров, более устойчивых, чем вольфрамовые (рений, гексабарид лантана, хром). Последующие исследования были направлены, главным образом, на решение задачи повышения общего тока автоэлектронной эмиссии и устранению причин её нестабильности. Исследованиями по реализации автоэлектронных катодов с предельно большой плотностью тока [22 - 29 У установлено, что предельная плотность тока обычно не превышает 10^ А/см^; такая плотность тока достижима лишь в импульсном режиме. При длительном же отборе тока высокой плотности эмиттер сильно нагревается и теряет свою механическую прочность. Процессы, приводящие к гибели автокатода, в этом случае развиваются лавинообразно, приводя к вакуумному пробою и срыву кончика острия - эмиттера. Поэтому возможности увеличения общего тока за счет повышения его плотности ограничены
(ток с острий не превышает нескольких микроампер). Однако при
о
малых размерах эмиттера ( < 100 А ) /"30 - 33 ] ) плотность тока автоэлектронной эмиссии может достигать 10® - 10*® А/см^, но при этом эмитирующая площадь катода мала и роста общего уровня тока не наблюдается.
Одной из возможностей повышения общего уровня тока является увеличение эффективной эмитирующей площади катода. Впервые на возможность использования системы острий в целях увеличения общего уровня тока указал Дайк [6 ]. Последующему систематическому исследованию многоострийных систем посвящено довольно много работ [19 18, 34 - 44 Однако до настоящего времени
- 12 -
многоострийные автоэлектронные катоды не получили широкого распространения из-за неизбежного разброса радиусов закругления острий, что ведет к их неравномерной токовой нагрузке, нестабильности и невоспроизводимости уровня эмиссии. Увеличение общей эмитирующей поверхности возможно также при использовании лезвийных эмиттеров [ 60 - 68 у. Кратко рассмотрим различные предложенные типы автокатодов.
А. Острийные (игольчатые) и "лепестковые” автокатоды.
Для многочисленных приложений, примерами которых могут служить растровые электронные микроскопы, рентгеновские микроанализаторы, некоторые типы электронно-лучевых приборов, приборов СВЧ и т.д. широкое распространение получили острийные (игольчатые) автоэлектронные катоды. Они представляют собой конусообразные острия из материалов, обладающих высокой механической прочностью [ 44 ] и устойчивостью к ионной бомбардировке .
Металлические автокатоды изготавливаются методом электрохимического травления тонких проволок в объеме электролита /"45] или в капле [ I У. Схемы указанных способов травления описаны в работе [ 46 у. Исследование формирования острий в процессе травления в электролитических ваннах показали, что конечная форма острия определяется пространственным распределением концентрационного слоя, состоящего из продуктов реакции на аноде, и зависит от состава, концентрации, температуры электролита и материала образца. Показано, что процесс газовыделения при травлении, являющийся основной причиной плохой воспроизводимости формы острий, можно практически полностью исключить правильным подбором режима травления.
Метод травления в калле широко используется в исследова-
- Київ+380960830922