Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света

Попов, Максим Олегович

Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Попов, Максим Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света»

Автореферат диссертации на тему "Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света"

На правах рукописи

РГБ ОД

2 г ш г т

Попов Максим Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННЫХ И РАДИАЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В КАТОДАХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 2000

Работа выполнена в конденсированных сред экспериментальной физики.

Отделе ядерной физики, физики и химии ГУП ГНЦ РФ Институт теоретической и

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Суворов А.Л.

доктор физико-математических наук, профессор Заболотный В.Т. доктор физико-математических наук, профессор Реутов В.Ф.

Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)

Защита состоится « » ^л-ю-^я 2000г. в ДА часов СО минут на заседании диссертационного совета Д063.68.04 в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028, Москва, Б.Трехсвятительский переулок, 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан «И » О^ел-^ 2000г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.ф.-м.н. профессор Сезонов Ю.И.

Въ ¿3 03

Актуальность работы.

Исследование автоэмиссионных свойств углеродных материалов представляет собой большой научный и практический интерес. Фундаментальное явление автоэлектронной эмиссии лежит в основе работы многих типов эмиссионных катодов, которые, в свою очередь, применяются в различных устройствах (плоских дисплейных экранах, рентгеновских трубках, ускорителях, вакуумных электронных приборах и электронных микроскопах). В последние годы использование катодов на основе явления автоэлектронной эмиссии нашло применение в активно разрабатываемых катодолюминесцентных источниках света (КЛИС).

Первое время основным материалом для автоэмиссионных катодов являлся вольфрам. Затем перечень материалов, используемых для них, значительно расширился: это металлы переходных групп, такие, как хром, ниобий, гафний, а также полупроводниковые материалы - кремний, германий. Однако, существенным недостатком указанных материалов является невозможность их долгой работы в условиях технического вакуума (10"5-10"7 Topp). Это объясняется увеличением радиусов вершин эмиссионных острий, определяющих автоэлектронную эмиссию с их рабочей поверхности, что, в свою очередь, приводит к снижению напряженности локального электрического поля и уменьшению автоэлектронного тока вплоть до его прекращения. Причина затупления острий - бомбардировка их вершины ионами остаточных газов. При этом образование ионов происходит по механизму электронного удара в пространстве «катод - анод». В последние годы большое внимание было уделено исследованию эмиссионных свойств углеродных материалов, которые, как выяснилось, в значительной степени свободны от этого недостатка.

создание катодов и катодно-модуляторных узлов, способных работать в условиях технического вакуума и обеспечивать стабильную и долговременную работу источников света. При этом основное внимание в работе уделялось углеродным волокнам, изучение эмиссионных свойств которых показало принципиальную перспективность их использования в качестве автокатодов: углеродные волокна не требуют специального заострения; достаточно хорошо работают в условиях технического вакуума; во время работы на их поверхности образуется динамически стабильный ансамбль эмиссионных центров, устойчивых к бомбардировке ионами остаточных газов; имея относительно невысокую стоимость, волокна выпускаются промышленностью многих стран мира.

Углеродные волокна изготавливаются в виде жгутов, состоящих из сотен и тысяч единичных волокон, а также в виде ткани. Единичные волокна имеют диаметр от 7 до 10 мкм и могут быть использованы для создания многоострийных катодов. Преимуществом углеродных волокон является простота изготовления из них катодов и образцов для исследований. При этом одним из наиболее перспективных направлений практического использования волокон является их использование в качестве катодов люминесцентных источников света (КЛИС). В работе для более полного понимания процессов автоэлектронной эмиссии и автоэмиссионных свойств изучались и другие виды углеродных материалов (реакторный графита (МПГ). высокориентированного пиролитического (ВОПГ) графит).

Актуальность проведения исследований определяется недостаточностью информации о процессах автоэлектронной эмиссии углеродных волокон, ее параметрах, эффективности, влиянии условий работы на состояние эмиссионных поверхностей волокон, конструктивного исполнения катодов и катодно-модуляторных узлов и способах их изготовления.

Изучение автоэмиссионных свойств углеродных материалов поможет глубже понять явление автоэлектронной эмиссии, перейти от качественных оценок к количественным расчетам и к практической реализации возможности использования их в качестве материала катодов люминесцентных источников света. Это будет способствовать расширению областей науки и техники, в которых применяется явление автоэлектронной эмиссии: после открытия явление практически реализовано в микроскопии (автоэлектронной (АЭМ),

автоионной (АИМ), растровой электронной (РЭМ), сканирующей туннельной (СТМ), и атомно-силовой (АСМ)), в ряде направлений вакуумной микроэлектроники.

Основным рабочим элементом источников света на основе катодолюминесценции, как было указано, являются автоэмиссионные катоды. В данной работе отрабатывается методика исследования процесса автоэлектронной эмиссии, оценивается возможность применения в качестве материала катодов углеродных волокон, ВОЛГ и монолитного углерода и проводится анализ преимуществ и нёдостатков различных катодов на их основе, определяются оптимальные режимы работы катодов в КЛИС, рассматриваются возможные варианты конструкций катодно-модуляторных узлов и источников света в целом.

Цель работы состояла в изучении автоэмиссионных свойств углеродных материалов, исследовании влияния различных видов предварительной обработки (отжиг, тренировка электрическим полем, радиационное воздействие), конструкционных и геометрических параметров и условий работы на структуру и свойства углерода и на протекание процесса автоэлектронной эмиссии во взаимосвязи с эволюцией структуры поверхности; определении оптимальных условий предварительной подготовки и обработки волокон, режимов и параметров работы применительно к их использованию в качестве катодов в КЛИС.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработана и создана универсальная установка для автоматизированного измерения вольтамперных характеристик, сбора и обработки результатов экспериментов;

• разработана и создана универсальная измерительная ячейка, позволяющая проводить исследования влияния геометрических параметров, формы и материалов, продолжительности работы, предварительной обработки на структуру и эмиссионные свойства катодов;

• исследовано влияние способов предварительной обработки углеродных материалов на структуру их эмитирующей поверхности и характер вольтамперных зависимостей;

• проведены комплексные микроскопические, рентгено-дифракционные и масс-спектрометрические анализы материалов;

• получены и проанализированы вольтамперные характеристики процесса автоэлектронной эмиссии различных конфигураций узлов КЛИС;

• определены оптимальные конструкции, режимы предварительной обработки и условия работы углеродных волокон в качестве автоэмиссионных катодов КЛИС.

Научная новизна диссертационной работы.

• разработана и реализована методика автоматизированного экспериментального исследования автоэмиссионных свойств материалов;

• проведены исследования взаимосвязи структуры поверхности и автоэмиссионных свойств углеродных материалов; показано, что при определенных условиях предварительной обработки и эксплуатации углеродных волокон на их поверхности образуется устойчивых ансамбль эмитирующих центров;

• экспериментально показано, что результаты исследования автоэмиссионных свойств углерода объясняются в рамках теории автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма;

• экспериментально показано, что из всех изученных углеродных материалов (ВОПГ, монолитный углерод, волокно) наиболее эффективными с точки зрения, равномерности электронного потока, технологичности и долговечности являются единичные углеродные волокна и их небольшие комплексы;

Практическая значимость.

• показано, что наиболее перспективными для использования в КЛИС являются единичные углеродные волокна;

• определены геометрические параметры катодов и катодно-модуляторных узлов, обеспечивающие их длительную и устойчивую работу;

• анализ вольтамперных характеристик позволил определить условия работы катодов с точки зрения их использования в КЛИС;

• определен элементный состав углеродных материалов, проведены микроскопические, масс-спектрометрические и рентгено-дифракционные

исследования рабочей поверхности и структуры волокон, которые показали, что при определенных условиях предварительной обработки и оптимальных режимах работы поверхность очищается от защитного полимерного покрытия и на ней образуется устойчивый ансамбль эмиссионных центров;

• создана универсальная автоматизированная установка, разработана и научно обоснована методика проведения экспериментов для исследования автоэмиссионных свойств материалов;

• разработаны программное обеспечение и методика сбора и обработки экспериментальных данных о процессе автоэлектронной эмиссии с помощью ЭВМ.

Достоверность полученных данных подтверждается:

• хорошей согласованностью с экспериментальными данными, полученными другими авторами при изучении углеродных материалов;

• непротиворечивостью выводам теории Фаулера-Нордгейма, которая обычно используется для описания и объяснения явления автозлектронной эмиссии;

• использованием апробированных современных методов и средств измерений структуры поверхности и электрофизических параметров;

На защиту в диссертации выносятся следующие положения:

• использование пучков из сотен и тысяч единичных волокон в катодах нецелесообразно. Наиболее перспективным является использование единичных волокон и их небольших (до 10 штук) ансамблей;

• предварительная обработка (отжиг и тренировка электрическим полем) углеродных волокон в определенном режиме модифицирует их рабочую поверхность и дает возможность получить устойчивый ансамбль эмиссионных центров, обеспечить оптимальные параметры и стабильность автоэлектронной эмиссии;

• флуктуации автоэлектронного тока обусловлены исчезновением отработавших и появлением новых эмиссионных центров, процессами адсорбции и десорбции ионов остаточного газа, распылением ими рабочей поверхности катода;

• триодная конструкция КЛИС является наиболее эффективной с точки зрения равномерности получаемого светового потока;

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й и 12-й Международных конференциях по вакуумной микроэлектронике (Россия, С.-Петербург, 1996; Германия, Дармштадт, 1999 соответственно), 43-м, 44-м и 45-м Международных симпозиумах по полевой эмиссии (Россия, Москва, 1996; Япония, Цукуба, 1997; Иордания, Ирбид, 1998), Совещании по исследованию поверхности ЫССАУБ (Дэвис, США, 1997), Международной конференции по современным материалам и технологиям (Флоренция, Италия, 1998), Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Украина, Севастрполь, 1999) и Международной конференции по сканирующей туннельной микроскопии СТМ'99 (Корея, Сеул, 1999), опубликованы в 14 научных работах и тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения и списка цитированной литературы. Содержит 107 страниц машинописного текста, 60 рисунков, список литературы из 112 наименований. Общий объем работы составляет 162 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показаны новизна, научная и практическая ценность полученных результатов работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Показано, что в последние годы одним из основных направлений развития современной физической электроники является разработка и исследование способов создания стабильных автоэлектронных катодов, способных достаточно долго работать в условиях технического вакуума. Наиболее перспективным материалом для этих целей является углерод, который и выбран в работе в качестве основного объекта исследований.

Изучение автоэмиссионных свойств углерода открывает возможность практической реализации идеи создания стабильных катодолюминесцентных источников света (КЛИС).

Первая глава содержит обзор основных физических положений, относящихся как собственно к явлению автоэлектронной эмиссии, так и к явлениям и процессам, ее сопровождающим: влиянию пондеромоторых сил, испарению полем, и распылению под воздействием ионной бомбардировки.

В главе проведен подробный анализ научной литературы, посвященной исследованию структуры углерода, а также структуры и технологии изготовления углеродных волокон. По типу исходного материала углеродные волокна могут быть разделены на следующие виды: полиакрилонитрильные (ПАН), пековые (на основе нефтяного пека), целлюлозные и ароматические полимерные. Наибольшее распространение в качестве материалов автоэлектронных катодов получили полиакрилонитрильные и пековые волокна.

Исследования структуры углеродных волокон, проведенные различными авторами, показали, что волокна подразделяются на три основных типа: к первому относятся сильно графитизированные высокомодульные волокна (температура окончательной обработки >2000°С; ориентация кристаллитов - в основном, параллельно оси волокна; упорядоченность - высокая); ко второму типу относятся волокна, обработанные при меньших температурах, но обладающие наибольшей прочностью (температура окончательной обработки ~1500°С; ориентация кристаллитов - в основном, параллельно оси волокна; упорядоченность - низкая); к третьему типу . относятся волокна, характеризующиеся произвольной ориентацией кристаллитов и обладающие свойствами либо первого, либо второго типа (температура окончательной обработки ~1000°С, ориентация кристаллитов - случайная, упорядоченность -очень низкая).

Подводя итоги этой части обзора, следует отметить, что приблизительно 8% объема волокон составляет аморфный графит, а остальной объем формируется кристаллитами и фибриллами, между которыми присутствуют поры размером не более 20 нм. Присутствие пор приводит к уменьшению плотности рассмотренных типов углеродных волокон и снижению их прочности.

У высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), получаемого путем разложения материалов, содержащих углерод (метан, пропан, бутан и

др.), на поверхностях, разогретых до высокой температуры плотность повышается до 2,2 г/см3. Одной из модификаций этого типа графита являются так называемые нитевидные волокна графита (пиролитические углеродные волокна).

В настоящей работе основное внимание уделено изучению пековых и лолиакрилонитрильных волокон.

В обзоре рассмотрены также типы автоэмиссионных катодов, технологии их изготовления и применение. Рассмотрены работы, в которых показано, что, в отличие от металлических, катоды, изготовленные из углеродных волокон, не требуют предварительной механической (или химической) обработки, могут работать в условиях технического вакуума и более стойки к влиянию ионной бомбардировки. Однако, основное внимание авторы уделяют исследованию пучков, состоящих из сотен волокон. В литературе практически нет работ, посвященных исследованию автоэмиссионных свойств единичных углеродных волокон.

Рассмотрены физические основы использованных в работе методов исследования поверхности материалов: автоэлектронной микроскопии, автоионной микроскопии, растровой электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии.

Проведенный в обзоре анализ работ, посвященных исследованию и применению автоэлектронной эмиссии углеродных материалов, позволил сформулировать цель и основные задачи диссертации.

Вторая глава содержит описание объектов исследования, аппаратуры и методики экспериментов.

Объекты исследований можно разделить на несколько видов: одиночные углеродные волокна (Т-300, ВЭН-280 на основе полиакрилонитрильного волокна, Р-25, Р-55Э, Р-75 на основе нефтяного изотропного пека), пучки углеродных волокон тех же марок, острия и штабики из ВОПГ и высокопрочного реакторного графита (МПГ-6 и МПГ-8).

Одним из подходов в изготовлении углеродных автоэмиссионных катодов является использование радиационных технологий. Образцы, изготовленные из волокон, подвергнутых облучению ионами цезия, а также произведенные из ВОПГ и высокопрочного реакторного графита, облученных протонами, лазерной плазмой и ионами были использованы в качестве автоэмиссионных

катодов «ЛИС. В работе опробован метод заострения углеродных волокон с помощью импульсного генератора Тесла.

До изготовления материалы образцов, в том числе подвергнутые предварительной обработке, изучались в масс-спектрометре. После изготовления рабочие поверхности всех образцов изучались микроскопическими и рентгено-дифракционным методами. Изучение поверхности образцов из ВОПГ и реакторного графита проводилось с помощью сканирующего туннельного или атомно-силового микроскопов.

Для изучения процессов автоэлектронной эмиссии материалов была создана автоматизированная установка и универсальная измерительная ячейка, которая, в зависимости от используемой оснастки, может быть использована также в качестве автоэлектронного и автоионного микроскопов.

Измерительная система (рис. 1) состоит из вакуумной установки, электронного блока и ЭВМ. Основные части вакуумной установки: камера 1, форвакуумный 2 и диффузионный 3 насосы, магниторазрядный диодный насос НОРД-250 4, азотная ловушка 5 и форвакуумный баллон 6. Насосы поддерживают технический вакуум (5x10"® +5х10'7) Topp. Давление в камере измеряется вакууметром ВИ-14, а в системе в целом - вакууметром ВИТ-2А.

Конструкция камеры и измерительной ячейки представлена на рис. 2. Она изготовлена из нержавеющей стали и оснащена высоковольтными электрическими вводами 9 и просмотровым стеклом 8. Оригинальной частью вакуумной камеры является универсальный вакуумный ввод перемещения, который позволяет устанавливать элементы измерительной системы (катод, модулятор и анод модельного катодолюминесцентного источника света) на определенном расстоянии друг от друга и варьировать их взаимное расположение вдоль оси системы с точностью 0,1 мм. На фланце 4 закреплены две направляющие 5 с резьбой и ввод вращения 6, движение которого, через втулку 7 преобразуется в линейное перемещение штока 8 в направляющей 9 механизма 11. Исследуемый катод закрепляется на диске 12, расположенном на торце механизма перемещения. Движение катода относительно модулятора или анода (в зависимости от конфигурации системы) осуществляется в вакууме. Расстояние, на которое перемещается катод, составляет до 50 мм от анода с погрешностью ±0,05 мм. Конструкции держателей модулятора 13 и анода 14 идентичны (на рис. 2 справа).

Модуляторы предназначены для повышения эффективности автоэмиссионных процессов и однородности распределения электронов по сечению пучка, а также дают возможность увеличить энергию электронов в промежутке "модулятор-анод" путем приложения соответствующей ускоряющей разности потенциалов.

Аноды нескольких специальных форм позволили визуально исследовать равномерность распределения электронного потока и одновременно измерять вольтамперные характеристики.

Диаметр анода и модулятора, закрепленных в пяльцах, можно изменять в пределах от 10 до 40 мкм в зависимости от вида и конструкции катода, расстояния "катод-анод" и задач эксперимента.

Управление экспериментом и создание информационных файлов с результатами экспериментов осуществляется с помощью электронного блока, который состоит из программируемых источников питания, делителя, усилителя и платы 1-264, соединенной с ЭВМ. Для настройки и контроля работы электронного блока использован цифровой мультиметр РММ-506. Из него информация поступает в ЭВМ, в которой она обрабатывается и используется для построения вольтамперных характеристик в различных координатах (в частности в координатах Фаулера - Нордгейма).

В экспериментах по изучению автоэмиссионных свойств материалов, работоспособности катодов и узлов в целом необходимая разность потенциалов обеспечивалась источниками питания НСЫ 35-6500 и НСЫ 3512500, оснащенными цифровыми аналоговыми преобразователями. Источники были подключены к ЭВМ, с помощью которой задавались программы изменения напряжения (Х/щш. Утгх, Д^ и временные ({нач, Ъон, ДО параметры. Значения напряжения записывались в информационные файлы одновременно с другими данными эксперимента. Основным элементом создания файлов, содержащих в цифровом виде данные о различных параметрах изучаемых процессов, являлся аналогово-цифровой преобразователь (плата 1-264), содержащий процессор АОЭР-2105, который обеспечивал ввод аналоговой информации и ее анализ в автономном режиме с последующим сообщением о результатах эксперимента.

I УСИЛИТЕЛЬ ±

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки. 14 з

Рис. 2. Конструкция рабочей камеры и измерительной ячейки

тг

При настройке и калибровке основной системы сбора и обработки информации графики и зависимости, полученные с помощью ЭВМ, сравнивались с аналогичными графиками и зависимостями, полученными после обработки экспериментальных данных цифрового мультиметра ОММ-506, что обеспечивало достоверность результатов исследований. Текущие значения измеряемых величин отображались на экране ЭВМ в реальном масштабе времени.

В заключительной части второй главы приведены описания основных установок, которые использовались в работе для исследования рельефа поверхности автоэмиссионных катодов (автоионного микроскопа, сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопа), а также методика проведения экспериментов.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований автоэлектронной эмиссии углеродных материалов, в особенности углеродных волокон, в зависимости от температурных режимов предварительного облучения, отжига, тренировки электрическим полем и в зависимости от геометрических параметров системы "катод-анод".

Первоначально эксперименты проводились с пучками волокон. При достижении значений тока эмиссии (0,7-И ,0) мА отмечается значительное ухудшение вакуума (на два порядка) и возникновение в пространстве "катод-анод" газовых разрядов. В работе показано, что это является следствием испарения полимерного покрытия поверхности углеродных волокон. Кроме того, наблюдалось разрушение люминофора вплоть до распыления его по стенкам камеры. При этом неравномерное свечение люминофора свидетельствовало о том, что в процессе автоэмиссии участвуют только волокна, наиболее близко расположенные к аноду. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что пучки волокон нецелесообразно использовать в катодолюминесцентных источниках света. Дальнейшие исследования проводились с единичными волокнами с целью разработки элементарных (с одним волокном-катодом) источников света.

Типичное электронно-микроскопическое изображение поверхности исходного волокна и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 3. На вольтамперной характеристике наблюдаются нестабильность (слабые и сильные флуктуации) автоэмиссионного тока. Во время измерения ВАХ

отмечалось также ухудшение вакуума, хотя и не такое существенное, как в случае пучков волокон Из этого следует, что использование исходных волокон в отпаянных вакуумированных приборах (КЛИС) невозможно. Поэтому

Рис. 3. РЭМ изображение исходного волокна а) и соответствующая волокну вольтамперная характеристика 6).

требовалось выяснить причины указанных негативных процессов.

Для получения наиболее подходящих параметров автоэлектронной эмиссии углеродных волокон было установлено, что необходима их предварительная термообработка (отжиг). Проведенная в настоящей работе серия экспериментов с волокнами, отожженными в различных режимах, показала, что причиной ухудшения вакуума и флуктуации автоэлектронного тока является наличие полимерного покрытия (биндера)—на • поверхности ^волокнат Исследование фазового состояния углеродных волокон и его изменения в процессе отжига (при 100, 300, 500, и 600°С в течение 10 минут), проведенное с помощью рентгеновского дифрактометра НгС-4А, показало, что отжиг в температурном интервале (100-й300)°С не влияет на структурно-фазовое состояние волокон.

На рис. 4 приведены РЭМ-изображения поверхности волокна после отжига при разных температурах. Видно, что при температуре (250-^300)°С биндер вскипает и застывает в виде небольших пузырьков (рис. 4а). При больших температурах биндер разлагается с сильным газовыделением. При отжиге при температуре (600-н700)°С биндер удаляется полностью и поверхность волокна становится чистой (рис. 46). Вольтамперная характеристика отожженного волокна существенно улучшается: флуктуации автоэлектронного тока уменьшаются. При этом вакуум в измерительной камере не изменяется. Однако слишком высокие температуры отжига приводят к уменьшению диаметра

Рис. 4. РЭМ изображения углеродных волокон, подвергнутых температурной обработке при 300°С в течение 3 минут (а) и при 800°С в течение 2 минут (б).

единичных волокон за счет сгорания материала и, следовательно, к изменению прочностных свойств волокон.

На основании проведенных исследований установлен оптимальный режим отжига волокон: 400°С в течение 5 минут.

В следующей части третьей главы исследовано влияние тренировки (ступенчатое повышение напряжения на промежутке "катод-анод" с выдержкой в течение определенного промежутка времени) на рабочую поверхность автоэмиттера. Состояние этой поверхности до и после тренировки исходного волокна показано на рис. 5. Вольтамперная характеристика становится более ровной, без сильных флуктуаций тока по амплитуде (рис. 6).

Анализ полученных результатов показал, что при тренировке происходит развитие рабочей поверхности катода за счет "затупления" наиболее острых

Рис. 5. Влияние тренировки на рельеф рабочей поверхности углеродного волокна до тренировки (а) и после тренировки (б).

эмиссионных центров, удаления аморфного углерода из пространства между фибриллами волокна и удаления газов, содержащихся в порах волокна.

Таким образом, предварительная подготовка волокна с целью создания стабильного автоэмиссионного катода должна включать в себя отжиг и тренировку в электрическом поле.

Достаточно интересные с точки зрения использования углеродных волокон в КЛИС результаты были получены при работе этих волокон в течение длительных промежутков времени. Динамика изменения структуры поверхности волокна показывает, что с увеличением времени его работы увеличивается количество эмиссионных центров с большим радиусом кривизны, рабочая поверхность из плоской превращается в полусферическую.

Через 7 суток после начала эксперимента ток автоэмиссии достиг значения (17-И8) мкА (при постоянном напряжении на источнике 1100В) и в дальнейшем не изменялся. Стабилизация тока свидетельствует о том, что количество разрушившихся и вновь появившихся эмиссионных центров становится одинаковым. Такой катод может работать в течение сотен и тысяч часов. Указанное выше значение тока является оптимальным и рекомендуется для волокон, работающих в КЛИС.

Значительное влияние на стабильность работы автокатодов оказывают макродефекты на поверхности волокна. К числу таких макродефектов

350 -3002502003

•я 150° 100500-

■50 -I—1—■—|—г—|—I—|—I—|—.—|—г—,—.—!—.—|—1—|—.—г—1

<00 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Напряжение "катод - анод" V, В

Рис. 6. Влияние тренировки на вольтамперные характеристики волокна; а) - до тренировки, б) - после тренировки.

относятся трещины, возникающие в результате механических повреждений при производстве, транспортировке и подготовке волокон к изготовлению катодов. Неоднократными экспериментами было установлено, что значительные флуктуации тока появляются при отрыве макрочастиц углерода от тех мест волокна, где наблюдаются трещины на его поверхности. Основным способом борьбы с макродефектами является тренировка волокон электрическим полем.

На следующем этапе исследований была определена зависимость тока автоэмиссии от расстояния между катодом и анодом.

Интерес к постановке этой задачи вызван тем, что при малых расстояниях между катодом и анодом (в пределах 1+2 мм) влияние бомбардировки ионами остаточных газов на состояние рабочей поверхности катода не так существенно и, кроме того, рабочее напряжение не так велико, что важно при разработке КЛИС. На рис. 7 представлены зависимости тока эмиссии от расстояния между катодом и анодом при постоянном напряжении на межэлектродном зазоре. Данные, полученные в ходе этих экспериментов, показали, что рекомендуемое

- ! I ! ! ! I I I 1 ! 1 ! I! 1 1 1 : ! I

! | 1 1 1 1 1 1

ттхтттхтт. -1 1

Л .. ... .. 1 1 - — 1600 8 41. .1800 В 1900 В -х— 2200 В -

• 1

- • |

- - - •л, - - - 1 -

» Г 'ч 1 I I

■ * 1

1 1 -

•

• 1 Г ■ 1 • ;

1 1 -

' 1 1- -

1 ПгГ

г~ > 1 [ 1 ' 1

Расстояние "катод - анод", мм

1в

Рис. 7. Влияние расстояния «катод - анод» на ток автоэлектронной эмиссии.

для использования в КЛИС значение тока автоэмиссии - (20+30) мкА определяется расстоянием "катод-анод".

В четвертой главе рассмотрены физические основы катодолюминесценции и свойства люминофоров, предложены и обсуяедаются возможные конструкции катодолюминесцентных источников света, приводятся

результаты исследования световых характеристик модельного КЛИС (элементарного источника).

Анализ свойств известных люминофоров показал, что наиболее перспективными, с точки зрения работы в оптимальном режиме, являются сульфидные люминофоры. Этот результат получен экспериментально. Расчеты, проведенные в работе, показали, что предельно допустимая тепловая нагрузка до на люминофор не должна превышать значения 0,1 Вт/см2. При этом температура люминофора не превышает 100°С.

Принимая во внимание это ограничение на нагрузку люминофора, и сопоставляя его с ограничением на токовую нагрузку одиночного углеродного волокна (20+30 мкА), показано, что в случае использования диодной конфигурации элементарного источника света площадь светового пятна не должна превышать 0,33 см2. Проведен также расчет коэффициента полезного действия КЛИС. Его теоретическое значение составляет приблизительно 20%.

В работе рассматриваются основные, принципиальные конструкции КЛИС, обсуждаются их преимущества и недостатки. В них учтено, что при реализации

а)

б)

Рис. 8. Принципиальные схемы катодолюминесцентных источников света. 1 - катод; 2 - модулятор; 3 - часть стеклянного корпуса источника света; 4 -непрозрачное зеркальное покрытие; 4'- прозрачное проводящее покрытие; 5 -люминофор; б-электроны; 7-свет.

диодной конфигурации поток электронов крайне неоднороден и, следовательно, световой поток неравномерен. Для создания равномерного светового потока был использован модулятор. Наиболее эффективная конструкция показана на рис. 86. Люминофор 5 наносится непосредственно на зеркальную электропроводящую поверхность 4\ тогда как освещаемое пространство находится за катодом. В этой схеме исключены потери энергии электронов в прозрачном зеркальном слое, однако, при создании элементарного КЛИС использована схема, представленная на рис. 8а, так как такая конструкция обеспечивает дополнительный теплоотвод от анода.

Расчеты, проведенные в работе, позволили составить диаграмму, определяющую области допустимых и недопустимых нагрузок на люминофор в зависимости от площади КЛИС и его мощности.

Исследование световых и токовых характеристик проведено на модельном элементарном катодолюминесцентном источнике света (рис. 9), состоящем из единичного углеродного волокна (катода) 1, модулятора 2 в виде диска с отверстием и стеклянного анода 3 с нанесенными на него слоями проводящего покрытия и люминофора. Были измерены зависимости светового потока и тока

Рис. 9. Принципиальная конструкция элементарного катодолюминес-центного источника света. Его основные элементы: 1 - автоэмиссионный катод (источник электронов); 2 - модулятор; 3 - анод (проводящее покрытие и люминофор); 4 - вакуумированный корпус; 5 - источник питания.

автоэлектронной эмиссии от расстояния «катод-анод». Анализ полученных на элементарном источнике экспериментальных данных показал их хорошее согласие с теоретическим расчетами. При этом температура анода при

значении тока эмиссии (25+30) мкА не превышала значения 100°С, эффективность - более 30 лм/Вт. Рекомендуемые геометрические параметры элементарного источника света: расстояние "катод-анод" - (10+15) мм, расстояние "катод-модулятор" - (2+3) мм. Мощность предлагаемого источника света составляет 0,1 Вт, а его площадь - 0,33 см2. Совмещение 150 элементарных источников в один узел позволяет получить аналог 60-ти ваттной лампы накаливания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Разработана универсальная автоматизированная установка и измерительная ячейка для изучения автоэмиссионных свойств углеродных материалов в условиях технического вакуума, позволяющая проводить исследования в широком диапазоне напряжений (до 12 кВ) при различных значениях геометрических параметров двухэлектродной системы "катод-анод" и трехэлектродной системы "катод-модулятор-анод".

2. Исследование автоэлектронной эмиссии углеродных волокон показало, что на процесс существенное влияние оказывает наличие связующего полимерного покрытия (биндера), которое наносится на волокна при их изготовлении. Установлено, что предварительный отжиг углеродных волокон позволяет удалить это покрытие и стабилизировать ток автоэлектронной эмиссии. Определен оптимальный режим отжига: температура 400°С, время отжига - 5 минут.

3. Показано, что тренировка волокон при ступенчатом повышении приложенного к межэлектродному промежутку напряжения приводит к возникновению на рабочей поверхности волокна статистически равномерного ансамбля эмитирующих центров и удалению с этой поверхности механических дефектов. Это, в свою очередь, исключает неконтролируемые флуктуации автоэмиссионного тока при эксплуатации катода.

4. Экспериментально получены зависимости автоэлектронного тока от расстояния "катод-анод", которые позволяют определить оптимальные геометрические и электрические параметры системы, обеспечивающие стабильную работу автокатода в течение длительного времени. Установлено предельно допустимое значение автоэмиссионного тока, получаемого с одного волокна - 25 мкА. При токах, существенно превышающих это значение, процесс

распыления материала катода за счет ионной бомбардировки приводит к необратимому изменению эмитирующей поверхности вплоть до механического разрушения волокна. Показана необходимость оптимизации радиационных нагрузок эмиттеров.

5. Разработаны и изготовлены модели катодолюминесцентных источников света, использующие в качестве автоэмиссионных катодов единичные углеродные волокна. Измерены световые характеристики этих источников. Изучена зависимость состояния поверхности анода от интенсивности тока и материала автоэмиссионного катода. Показано, что высокие токовые нагрузки приводят к разрушению материала катода и негативно влияют на параметры люминофора.

6. Показаны принципиальная возможность использования углеродных волокон в качестве автоэмиссионных катодов в катодолюминесцентных источниках света и их преимущества по сравнению с реакторным и высокоориентированным пиролитическим графитом.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. "Radiation Modification of Carbon Surface as Means of Multi-tips Field Emission Cathode Production for Different Purposes". II V.P.Babaev, A.N.Balabaev, Yu.N.Cheblukov, A.Yu.Didek, A.S.Fedotov, M.O.Popov, V.V.Protasenko, E.P.Sheshin, A.L.Suvorov. 9th International Vacuum microelectronics Conference. St.Petersburg, Russia, July 7-12, 1996.

2. "Dynamics of Current-Voltage Characteristics of field emission cathodes built from various types of carbon fibers. // A.G.Chakhovskoi, A.L.Suvorov, C.E.Hunt, E.P.Sheshin, A.B.Stolyarov, A.S.Baturin, A.V.Anaschenko, M.O.Popov. Techn. digest of 20th Surface/interface research meeting of the NCCAVS, 1997, p.3.

3. "Field Ion and Scanning Tunneling Microscopy Studies of Surface and Volume defects in Carbon and Silicon". A.L.Suvorov, A.F.Bobkov, Yu.N.Cheblukov, B.A.Loginov, N.E.Lazarev, S.V.Zaitsev, M.O.Popov, D.S.Volnin. 9th International Conference on Modern Materials and Technologies, Florence, Italy, June 14-19, 1998.

4. "Formation of Periodic Multi-tip Relief of Pyrolytic Graphite by High Energy Ions Irradiation". // A.L.Suvorov, A.Yu.Didek, Yu.N.Cheblukov, E.P.Sheshin, A.P.Babaev, A.S.Fedotov, M.O.Popov, Yu.V.Trushin, R.A.Suris, V.S.Kharlamov. D.V.Kulikov. Abstracts of the 43,d IFES, Moscow, 1996.

5. "Field Emission Properties of Carbon Fibers of Different Types". // E.P.Sheshin, A.B.Stolyarov, M.O.Popov. Abstracts of the 43rd IFES, Moscow, 1996.

6. "Dynamics of Field Electron Emission of Single Carbon Fibers and Their Ensembles". // M.O.Popov, S.V.Zaitsev, E.P.Sheshin, A.L.Suvorov. Abstracts of 44ih IFES. Tsukuba, Japan. July 7-11, 1997.

7. «Катодолюминесцентные, высокоэффективные экологически чистые источники света на основе автоэлектронной эмиссии материалов». // А.Л.Суворов, А.Ф.Бобков, С.В.Зайцев, М.О.Попов, Е.Н.Скороходов, Е.В.Давыдов. Препринт ИТЭФ 25 - 98, - М„ 1998, 53с.

8. "Study of Surface and Volume Defects in Carbon and Silicon by Methods of Field Ion and Scanning Tunneling Microscopy". // A.L.Suvorov, Yu.N.Cheblukov, N.E.Lazarev, A.F.Bobkov, M.O.Popov, V.P.Babaev. Preprint ITEP 24 - 98, - M., 1998, -12p.

9. "Analysis and Optimization of Conditions of Field Emission Cathodes Radiation Load". II A.L.Suvorov, A.F.Bobkov, S.V.Zaitsev, M.O.Popov, Ye.N.Skorokhodov. Abstracts of 45th IFES, Irbid, Jordan, 1998, p.136.

10. "Quantitative Scanning Tunneling Microscopy of Radiation Effects on Surfaces of Solids". II A.L.Suvorov, V.F.EIesin, K.N.EItsov, M.A.Kozodaev, A.V.Krasheninnikov, O.N.Makeev, L.A.Openov, M.O.Popov, Yu.N.Cheblukov, V.Yu.Yurov. Abstracts of STM'99. Seoul, Korea, 1999.

11."Some aspects of carbon materials application in field emission cathodes". II A.F.Bobkov, Yu.N.Cheblukov, A.V.Karpov, M.A.Kozodaev, I.N.Nikolaeva, M.O.Popov, Ye.N.Skorokhodov, A.L.Suvorov, S.V.Zaitsev. Technical digest 12th IVMC, Darmstadt, Germany, 1999, p.262.

12."Количественная сканирующая туннельная микроскопия радиационных эффектов на поверхности твердых тел". // А.Л.Суворов, В.Ф.Елесин, К.Н.Ельцов, М.А.Козодаев, А.В.Крашенинников, О.Н.Макеев, Л.А.Опенов, М.О.Попов, Ю.Н.Чеблуков, В.Ю.Юров. Препринт ИТЭФ 26-99. М.: 1999. 24с.

13. "Quantitative scanning tunneling microscopy of radiation induced modification of materials surface" Yu.N.Cheblukov, A.S.Fedotov, M.A.Kozodaev, B.A.Loginov, M.O.Popov, A.E.Stepanov, A.L.Suvorov. Materials Science and Engineering. A270. 1999. p. 102-106.

14."Исследование поверхностных и объемных дефектов в углероде и кремнии методами автоионной и сканирующей туннельной микроскопии. II Суворов А.Л., Чеблуков Ю.Н., Лазарев Н.Е., Бобков А.Ф., Попов М.О., Бабаев В.П. ЖТФ, 2000, том 70, вып. 3, стр. 56.

Подписано к печати " С 4Г О4 2000 г. Отпечатано в типографии МГИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская. 12 Заказ %Ч . Объем___t____п.л. Тираж ?О экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Попов, Максим Олегович

Введение.

Глава I. Автоэлектронная эмиссия, ее использование и изучение.

§ 1. Физические основы автоэлектронной эмиссии.

§ 2. Процессы, сопровождающие автоэлектронную эмиссию.

2.1 Деформации, обусловленные пондеромоторными силами.

2.2 Испарение полем и ионная бомбардировка.

§ 3. Автоэмиссионные катоды; материалы и области применения.

3.1 Углерод. Общие сведения.

3.2 Углеродные волокна.

3.3 Высокоориентированный пиролитический графит.

3.4 Высокопрочный графит.

3.5 Типы автоэмиссионных катодов и'их применение.

§ 4. Методы исследования структуры и поверхности эмиссионных материалов.

4.1 Автоэлектронная микроскопия.

4.2 Автоионная микроскопия.

4.3 Растровая электронная микроскопия.

4.4 Сканирующая зондовая микроскопия.

4.5 Масс-спектрометрия.

4.6 Рентгеновская дифрактометрия.

§ 5. Катодолюминесцентные источники света.

Выводы.

Глава II. Методика, оборудование и задачи экспериментов.

§ 1. Цели и задачи экспериментов.

§ 2. Методика изготовления образцов.

§ 3. Установки для проведения экспериментов и исследования состояния поверхности материалов катодов.

3.1 Экспериментальная установка.

3.1.1 Универсальная измерительная ячейка.

3.1.2 Автоматизированная система управления экспериментом, сбора и обработки информации.

3.1.3 Автоионный микроскоп.

3.2 Сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы.

§ 4. Методика проведения экспериментов и исследования состояния поверхности автоэмиссионных катодов.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование автоэмиссионных и радиационных свойств углеродных материалов и возможности их применения в катодах люминесцентных источников света"

Актуальность темы:

Исследование автоэмиссионных свойств углеродных материалов представляет собой большой научный и практический интерес. Фундаментальное явление автоэлектронной эмиссии [1-3] лежит в основе работы многих типов эмиссионных катодов, которые, в свою очередь, применяются в различных устройствах (плоских дисплейных экранах, рентгеновских трубках, ускорителях, вакуумных электронных приборах и электронных микроскопах [4]). В последние годы использование катодов на основе явления автоэлектронной эмиссии нашло применение в активно разрабатываемых катодолюминесцентных источниках света (КПИС) [5-6].

Первое время основным материалом для автоэмиссионных катодов являлся вольфрам. Затем перечень материалов, используемых для них, значительно расширился: это металлы переходных групп, такие, как хром, ниобий, гафний, а также полупроводниковые материалы -кремний, германий. Однако, существенным недостатком указанных материалов является невозможность их долгой работы в условиях технического вакуума (10"5-10"7 Topp). Это объясняется увеличением радиусов вершин эмиссионных острий, определяющих автоэлектронную эмиссию с их рабочей поверхности, что, в свою очередь, приводит к снижению напряженности локального электрического поля и уменьшению автоэлектронного тока вплоть до его прекращения. Причина затупления острий - бомбардировка их вершины ионами остаточных газов. При этом образование ионов происходит по механизму электронного удара в пространстве «катод - анод». В последние годы большое внимание было уделено исследованию эмиссионных свойств углеродных материалов, которые, как выяснилось, в значительной степени свободны от этого недостатка.

Углеродные автоэмиссионные катоды являются основным конструктивным элементом разрабатываемых в настоящее время источников света. В силу специфических свойств углерода (анизотропия аморфно-кристаллической структуры в случае углеродных волокон и 5 высокоориентированного пиролитического углерода, высокая стойкость к ионной бомбардировке, механическая прочность реакторного графита) его использование в качестве материала катодов представляется достаточно перспективным [7]. В этой связи одной из основных задач диссертационной работы являлась разработка и создание катодов и катодно-модуляторных узлов, способных работать в условиях технического вакуума и обеспечивать стабильную и долговременную работу источников света. При этом основное внимание в работе уделялось углеродным волокнам, изучение эмиссионных свойств которых показало принципиальную перспективность их использования в качестве автокатодов: углеродные волокна не требуют специального заострения; достаточно хорошо работают в условиях технического вакуума; во время работы на их поверхности образуется динамически стабильный ансамбль эмиссионных центров, устойчивых к бомбардировке ионами остаточных газов; имея относительно невысокую стоимость, волокна выпускаются промышленностью многих стран мира.

Углеродные волокна изготавливаются в виде жгутов, состоящих из сотен и тысяч единичных волокон, а также в виде ткани. Единичные волокна имеют диаметр от 7 до 10 мкм и могут быть использованы для создания многоострийных катодов. Преимуществом углеродных волокон является простота изготовления из них катодов и образцов для исследований. При этом одним из наиболее перспективных направлений практического использования волокон является их использование в качестве катодов люминесцентных источников света (КПИС). В работе для более полного понимания процессов автоэлектронной эмиссии и автоэмиссионных свойств изучались и другие виды углеродных материалов (реакторный графита (МПГ), высокориентированного пиролитического (ВОПГ) графит).

Основным рабочим элементом источников света на основе катодолюминесценции, как было указано, являются автоэмиссионные катоды. В данной работе отрабатывается методика исследования процесса автоэлектронной эмиссии, оценивается возможность применения в качестве материала катодов углеродных волокон, ВОПГ и монолитного углерода и проводится анализ преимуществ и недостатков различных катодов на их основе, определяются оптимальные режимы работы катодов в КЛИС, рассматриваются возможные варианты конструкций катодно-модуляторных узлов и источников света в целом.

Цель диссертационной работы состояла в изучении автоэмиссионных свойств углеродных материалов, исследовании влияния различных видов предварительной обработки (отжиг, тренировка электрическим полем, радиационное воздействие), конструкционных и геометрических параметров и условий работы на структуру и свойства углерода и на протекание процесса автоэлектронной эмиссии во взаимосвязи с эволюцией структуры поверхности; определении оптимальных условий предварительной подготовки и обработки волокон, режимов и параметров работы применительно к их использованию в качестве катодов в КЛИС.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 7

Научная новизна диссертационной работы.

• проведены исследования взаимосвязи структуры поверхности и автоэмиссионных свойств углеродных материалов; показано, что при определенных условиях предварительной обработки и эксплуатации волокон на их поверхности образуется устойчивых ансамбль эмитирующих центров;

• экспериментально показано, что результаты исследования автоэмиссионных свойств углерода объясняются в рамках теории автоэлектронной эмиссии Фаулера-Нордгейма; 8

Практическая значимость.

• показано, что наиболее перспективными для использования в КЛИС являются единичные углеродные волокна;

• определен элементный состав углеродных материалов, проведены микроскопические, масс-спектрометрические и рентгено-дифракционные исследования рабочей поверхности и структуры волокон, которые показали, что при определенных условиях предварительной обработки и оптимальных режимах работы поверхность очищается от защитного полимерного покрытия и на ней образуется устойчивый ансамбль эмиссионных центров;

Достоверность полученных данных подтверждается:

• хорошей согласованностью с экспериментальными данными, полученными другими авторами при изучении углеродных материалов; 9

• непротиворечивостью выводам теории Фаулера-Нордгейма, которая обычно используется для описания и объяснения явления автоэлектронной эмиссии;

На защиту в диссертации выносятся следующие положения:

• триодная конструкция КПИС является наиболее эффективной с точки зрения равномерности получаемого светового потока;

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-ой и 12-ой Международных конференциях по вакуумной микроэлектронике (Россия, С.-Петербург, 1996; Германия, Дармштадт, 1999 соответственно), 43-м, 44-ом и 45-ом Международных симпозиумах по полевой эмиссии (Россия, Москва, 1996; Япония, Цукуба, 1997; Иордания, Ирбид, 1998), Совещании по исследованию поверхности ГМССА\/8 (Дэвис, США, 1997), Международной конференции по современным материалам и технологиям (Флоренция, Италия, 1998), Межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела»

Украина, Севастополь, 1999) и Международной конференции по сканирующей туннельной микроскопии СТМ'99 (Корея, Сеул, 1999).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ - 3 статьи, 8 тезисов докладов и 3 препринта.

Структура и объем диссертации.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты работы сводятся к следующему.

2. Исследование автоэлектронной эмиссии углеродных волокон показало, что на процесс протекания автоэмиссионного тока значительное влияние оказывает наличие связующего полимерного покрытия (биндера), которое наносится на волокна при их изготовлении.

157

Установлено, что предварительный отжиг углеродных волокон позволяет удалить это покрытие и стабилизировать ток автоэлектронной эмиссии. Определен оптимальный режим отжига: температура 400°С, время отжига - 5 минут.

4. Экспериментально получены зависимости автоэлектронного тока от расстояния "катод-анод", которые позволяют определить оптимальные геометрические и электрические параметры системы, обеспечивающее стабильную работу автокатода в течение длительного времени. Установлено предельно допустимое значение автоэмиссионного тока - 25 мкА. Работа катода при больших значениях тока определяет возникновение процессов распыления катодов ионной бомбардировкой и испарения полем и приводит к необратимому изменению эмитирующей поверхности вплоть до механического разрушения волокна.

6. Разработаны и изготовлены модели катодолюминесцентных источников света, использующие в качестве автоэмиссионных катодов единичные углеродные волокна. Измерены световые характеристики этих источников. Изучена зависимость состояния поверхности анода от интенсивности тока и материала автоэмиссионного катода. Показано, что высокие токовые нагрузки приводят к разрушению материала катода и негативно влияют на параметры люминофора.

7. Показана принципиальная возможность использования углеродных волокон в качестве автоэмиссионных катодов в катодолюминесцентных источниках света и их преимущества по отношению к катодам из высокоориентированного пиролитического графита и реакторного графита.

158

Заключение.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что основная цель работы, заключающаяся в изучении автоэмиссионных свойств углеродных материалов, в особенности единичных углеродных волокон, исследовании влияния предварительной обработки (отжиг, тренировка), конструкционных и геометрических параметров системы на процесс автоэлектронной эмиссии и эволюцию структуры поверхности волокна и определение оптимальных условий подготовки, режимов и параметров эксплуатации материала применительно к использованию углеродных волокон в качестве катодов в люминесцентных источниках света, достигнута.

Установлена взаимосвязь между автоэмиссионными свойствами углеродных волокон и состоянием их рабочей поверхности, что способствует развитию и углублению знаний о физической природе холодной эмиссии и является одной из основных задач физики твердого тела.

Получены новые данные о свойствах углеродных волокон, которые подтверждают выводы других авторов о перспективности применения этих волокон в качестве автоэмиссионных катодов. Основным направлением практического применения результатов работы следует считать разработку катодолюминесцентных источников света.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Попов, Максим Олегович, Москва

1. Fowler R.H., Nordheim L. //. Proc. Roy. Soc. 1928, v 119, #A781, p.173-181.

2. Елинсон M.П., Васильев Г.Ф. //Автоэлектронная эмиссия. М.: Физматгиз. 1958.

3. Ненакаливаемые катоды. // Под ред. Елинсона М.И. М.: Советское радио. 1974. 336 с.

4. Brodie I., Spindt С.А. //Vacuum Microelectronics. Adv. Electron. Electron Phys. v. 83.1992. pp 2-107.

5. Суворов А.Л., Бобков А.Ф., Зайцев C.B., Попов M.О., E.H.Скороходов Е.В.Давыдов. // Препринт ИТЭФ 25-98. М.: 1998. 53 с.

6. Суворов А.Л. // Светотехника, М.: 1999, с.9.

7. Бондаренко Б.В., Рыбаков Ю.Л., Шешин Е.П., Щука A.A. Автоэлектронные катоды и приборы на их основе. // Обзоры по электронной технике. Вып. 8(814) М.: 1981.

8. Крэнкелл А., Уонг К. // Поверхность Ферми. Пер. с англ. М.: Атомиздат. 1978. 352 с.

9. Бете Г. Зоммерфельд // Электронная теория металлов. М.: ОНТИ. НКТП СССР. 1938

10. Соколов A.A., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. // Квантовая механика. М.: Наука. 1979. 528 с.

11. Бом Д. // Квантовая теория. Пер. с англ. Под ред. Вонсовского C.B. М.: Физматгиз. 1961. с. 312

12. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В., // Эмиссионная электроника М.: Наука. 1966. 564 с.

13. Nordheim L. // Phys Zs. 30. 1929. p. 177.

14. Мюллер Э.В. и ЦонгТ.Т. // Полевая ионная микроскопия. Полевая ионизация и полевое испарение. Пер. с англ. М.: Наука. 1980.

15. Хейне В., Коэн М., Уэйр Д. //Теория псевдопотенциала. Пер. с англ. М.: Мир. 1973.

16. Тамм И.Е. // Основы теории электричества. М.: Наука 1976. с. 86.

17. Брэндон Д. // Удары молекул о поверхность, полевое травление и деформация под действием поля. В сб. Автоионная микроскопия. // Под ред. Рен Дж., Ранганатан С. Пер. с англ. М.: Мир. 1971. с.34.

18. Френкель Я.И. // Введение в теорию металлов. Л.: Наука, 1972

19. Фридман Я.Б. // Механические свойства металлов. // М.: Машиностроение. 1974.

20. Müller E.W. // Phys. Rev., 102. 1956. p.618.

21. Рен Дж. Интерпретация точечных и линейных дефектов на ионных изображениях. В сб. Автоионная микроскопия. // Под ред. Рен Дж., Ранганатан С. Пер. с англ. М.: Мир. 1971. с.108.

22. Фоменко B.C. // Эмиссионные свойства элементов и химических соединений, Справочник, Наукова думка. Киев, 1964.

23. Haering R.R., Mrozowski S. //"Progr. Semicond." v.5. 1960. p.273.

24. Coulson C.A. // Nature (Lond.) v.159. 1947. p. 265.

25. Свойства конструкционных материалов. Справочник. Под ред. Соседова В.П. М.: Металлургия. 1975.

26. Wallace P.R. // Phys. Rev. v. 71. 1947. p. 622.159

27. Шредник В.Н. // Ненакаливаемые катоды на основе автоэлектронной эмиссии. В сб. Ненакаливаемые катоды под ред. М.И.Елинсона. М.: Советское радио. 1974. с. 210.

28. Фрейберг Г.Н. // Приборы и техника эксперимента. 1967. №6. с. 12741280.

29. Суворов А.Л., Чеблуков Ю.Н., Бобков А.Ф., Лазарев Н.Е., Попов М.О., Бабаев В.П. // Препринт ИТЭФ 24-98. М.: 1998

30. Тун Р.Э. // Структура тонких пленок. В. кн.: Физика тонких пленок. Т.1.М.: Мир. 1967. с.224-274.

31. Brodie I., Spindt С.А. //Advances in electronics and electron physics. Microelectronics and microscopy. Academic press, v.83.1992. p. 39.

32. Фиалков A.C., Осипов Н.И., Анаскин И.Ф., Куприкова Н.Д. // Приборы и техника эксперимента. 1980. № 3. с.238.

33. Prohaska R., Fisher А. // Rev. Sci. Instrum., 1982. v.53. N 7, p.1092.

34. Bacon R., and Smith W.H. // Proc. 2nd Conf. Ind. Carbon Graphite, Soc. Chem. Ind., London 1965. p.203.

35. Shindo A., // Report # 317, Govt. Ind. Res. Inst., Osaka. 1961.

36. Watt W„ Phillips L.N., and Johnson W. // Engineer (London) 221. 1966. p.815.

37. Kureha Chemical Industry Co. Br. Patent 1.293.900 (October 15, 1975).

38. Nippon Kayaku Co. Ltd. Fr. Patent 1.458.725 (November 10, 1966).

39. Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. // Nature. 1972. v. 239. p.96-97.

40. Hughes J.D.H. // Carbon 24. 1986. p. 551.

41. Справочник. Углеграфитовые материалы. // Мармер Э.Н. М.: Металлургия. 1973. 136 с.

42. Donnet J.-B., Roop С.В // Carbon Fibers. N.-Y: Marcel Dekker. Inc., 1990.

43. Watt W., Johnson W. // Proc. 3rd Conf. Ind. Carbon graphite, Soc. Chem. Ind., London. 1971. p. 417.

44. BennetS.C., Johnson D. J., Muaary R. //Carbon. 14. 117. 1976 p. 117

45. Fordeux A., Perret R., and Ruland W. // Carbon fibers Their composites and application. The Plastic Institute. London. 1971. p. 57.

46. Saunderson D.H., Windsor C.G. // Proc. 3rd Conf. Ind. Carbon graphite, Soc. Chem. Ind., London. 1971. p. 438.

47. Jarro M.A., Lander W.R., Rantell//Carbon, v.14.1976. p.219.

48. Wicks B.J., and Coyle R.A. //J. Mater. Sci. v.11.1976. p.376.

49. Johnson J.W., and Watt W. // Nature. 1967. v.8. p. 384.

50. Hawthorn H.M. // Carbon Fibers their Composites and application. The Plastic Institute. London. 1971. p.81.

51. Spencer D.H, Hooker M.A., Thomas A.C. // Proc. 3rd Conf. Ind. Carbon graphite, Soc. Chem. Ind., London. 1971. p. 467.

52. Bennett S.C., Johnson D.J., Carbon 17, 1979. p.25

53. Yoshito K., Sara S., Sakai T. // Private communication, 1981.

54. Фиалков A.C. //Углеграфитовые материалы. M.: Энергия. 1979.160

55. Крылов В.Н., Вильк Ю.Н. // Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности. М.: Химия. 1965.

56. Walls J.M., Southworth H.N., Rushton B.J. // Vacuum, v.24. #5. 1975. p.475.

57. Jashiro Y., Terao T. // Surface science, v.67. #2. 1977. p.605-610.

58. Chakhovskoi A.G., Sheshin E.P., Kupryashkin A.S. and VASeliverstov // J.Vac.Sci.Technol.B. 11(2) 1993 p.511-513.

59. Spindt C.A., Holland C.C., Brodie I. Et. al. // Euro-display Conference 1987 and IEEE Trans. On E-D, 1989, V.ED-36, p.225.

60. Бондаренко Б.В., Акопян Р.Л. // Радиотехника и электроника, т. XVII. №8. 1972. с. 1059-1061.

61. Справочная книга по светотехнике // Под.ред. Ю.Б.Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1995.

62. Müller E.W. // Zs.Phys. 37. 838. 1936.

63. Суворов А.Л. // Структура и свойства поверхностных атомных слоев металлов. М.: Энергоатомиздат. 1990. 296 с.

64. Вудраф Д., Делчар Т. // Современные методы исследования поверхности. Пер с англ. М.: Мир. 1989. 564 с.

65. Саутон М. //Автоионная микроскопия: пер. с англ. М.: Мир. 1971. с.12.

66. Мюллер Э.В., ЦонгТ.Т. //Автоионная микроскопия: Пер. с англ. М.: Металлургия. 1972.

67. Суворов А.Л., Требуховский В.В. //Усп. физ. наук. 1972. Т. 107. с. 657.

68. Гоулдстейн Дж, Яковиц X, // Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Мир. 1978. 656 с.

69. Von Ardenne М., HZ. Phys. 109. 1938. р.553.

70. Von Ardenne M., HZ. Techn. Phys.19.1938. p.407.

71. Barbi N.C., Sandborg A.D., Russ J.C., Soderquist C.E. //Scanning Electron Microscopy. 1974, IITRI, Chicago, III., 1974, p.151.

72. XOKC П. // Электронная оптика и электронная микроскопия. Пер. с англ. М.: Мир. 1974. 318 с.

73. R.Howland, L.Benatar // A Practical Guide to scanning probe microscopy. Park Scientific lnstruments.1997. p.74.

74. Биннинг Д., Popep Г. // Растровый туннельный микроскоп. «В мире науки», вып. 10, 1986.

75. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. // Квантовая механика. Наука, М.: 1972.

76. Рафаэльсон А.Э., Шерешевский A.M. // Масс-спектрометрические приборы. Атомиздат. М.: 1968. 236 с.

77. Хейкер Д.М., Зевин Л.С. // Рентгеновская дифрактометрия. М.: Физматгиз. 1963. 380 с.

78. Иванов А.П. Электрические источники света. М.: Госэнергоиздат, 1948.

79. Nosaka Е. // US Patent # 4344017, August 1982.

80. Kondo Yu., Matsuura J., Kimura H. // Techn. Digest. 4th International Vacuum Microelectronics Conference. 1991. Japan, p. 56-57.

81. Sheshin E.P., Suvorov A.L., Grigoriev V.A., Sheshjorkin V.J. // Techn. Digest. 6th International Vacuum Microelectronics Conference. 1993. USA. p.117-118.

82. Sheshin E.P., Suvorov A.L., Bobkov A.F., Dolin D.E. // 7th International Vacuum Microelectronics Conference. 1994. France; Revue "Le Vide, les Couches Minces" Supplement au # 271 Mars-Avril 1994, p.423-426.161

83. Chubun N., Lazarev N., Sheshin E., Suvorov A. // Techn. Digest. 8th International Vacuum Microelectronics Conference. 1995. USA, p.516.

84. Spindt C.A., Brodie I., Humphrey L., Westerberg E.R. //J.Appl.Phys. 1976. v. 47. p.5248.

85. Углеродные волокна // Под ред. С. Симамуры. М.: Мир, 1987.

86. Углеродные волокна и углекомпозиты // Под ред. Э.Фитцера. М.: Мир, 1988.

87. Конкин А.А. // Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: 1974.

88. Азарова М.Т. //Химические волокна, 1991, № 3, с.5.

89. Pierson Н.О. Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes. Properties, processing and applications/ Park Ridge, New Jersey: Noyes Pull., 1992.

90. Baker F.S., Osborn A.R., Williams J. // J.Phys.D: Appl.Phys., 1974 v.7. p.2105-2115.

91. Mousa M.S. Electron emission from carbon fibre tips. // Appl. Surf. Sci., 1996, V. 94/95, p. 129.

92. Бондарен ко Б.В., Шаховской А.Г., Шешин Е.П. // Радиотехника и Электроника, 1987, Т.32, № 1, с. 199.

93. Долин Д.Е., Сосунов А.А., Суворов А.Л., Шешин Е.П. Устойчивость поверхности углеродных волокон к бомбардировке низкоэнергетичными ионами газов. //ЖТФ, 1990, Т.60, № 12, С. 115.

94. А.Л.Суворов, Е.П.Шешин, В.В.Протасенко, Н.Е.Лазарев, А.Ф.Бобков, В.П.Бабаев. //Журнал Технической Физики, 1996, т.66, № 7, с. 156.

95. A.L.Suvorov, A.Yu.Didek, Yu.N.Cheblukov, E.P.Sheshin, V.P.Babaev, A.S.Fedotov et. al. // 43rd International Field Emission Symposium. 1996. Moscow. Program and Abstracts, p.P-90.

96. Б.В.Бондаренко, В.А.Селиверстов, Е.П.Шешин. Радиотехника и Электроника, 1985, т. 30, № 8, с. 1601.

97. Suvorov A.L., Sheshin Е.Р., Dolin D.E. // Proc. of 5th International Beijing Conference and Exhibition of Instrumental Analysis A. Peking University Press, Beijing 1993. p.A-3.

98. Бондаренко Б.В., Баканов E.C., Черепанов А.Ю., Шешин Е.П. // Радиотехника и Электроника, 1985, т. 30, № 11, с. 2234.

99. A.G.Chakhovskoi, A.L.Suvorov, C.E.Hunt, E.P.Sheshin, A.B.Stolyarov, A.S.Baturin, A.V.Anaschenko, M.O. // Techn .digest of 20th Surface/interface research meeting of the NCCAVS, 1997, p.3

100. A.F.Bobkov, Yu.N.Cheblukov, A.V.Karpov, M.A.Kozodaev, I.N.Nikolaeva, M.O.Popov, E.N.Skorokhodov, A.L.Suvorov, S.V.Zaitsev // Techn.dig. IVMC'99. Germany, 1999, p. 262.

101. Тимофеев Ю.П. // «Преобразование энергии возбуждения в активированных кристаллофосфорах с рекомбинационным и кооперативным механизмами люминесценции». докторская диссертация, М.: ФИАН, 1985.

102. М.В.Фок. // «Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров». М.: Наука. 1964.

103. В.В.Антонов-Романовский // «Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров». М.: Наука, 1966.

104. С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин // «Физическая оптика». М.: МГУ, 1996.162

105. C.J.Summers. // Tech. Digest of IVMC'97, Kyongju, Korea, 1997, p. 244 247.

106. Марковский Л.Я., Пекерман Ф.М., Петошина Л.Н. // Люминофоры. М.: Химия, 1966.

107. The Phosphor Handbook // Eds. S.Shionoya, W.M.Yen. Florida: CRC Press Inc., 1997.

108. М.О.Попов, А.Ф.Бобков, С.В.Зайцев, А.В.Карпов, ЕАЛюблев // тезисы Всероссийского совещания «Радиационная физика твердого тела» Украина, Севастополь, 1999.

109. Суворов А.Л., Чеблуков Ю.Н., Лазарев Н.Е., Бобков А.Ф., Попов М.О., Бабаев В.П. ЖТФ, 2000, том 70, вып. 3, стр. 56.