RU2468462C2 - Method of treatment of electronic-field cathodes - Google Patents
Method of treatment of electronic-field cathodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2468462C2 RU2468462C2 RU2010123104/07A RU2010123104A RU2468462C2 RU 2468462 C2 RU2468462 C2 RU 2468462C2 RU 2010123104/07 A RU2010123104/07 A RU 2010123104/07A RU 2010123104 A RU2010123104 A RU 2010123104A RU 2468462 C2 RU2468462 C2 RU 2468462C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- electron
- cathode
- electrode
- electronic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу обработки поверхности электронно-полевых катодов, изготовленных из углеродных наноматериалов, которые могут использоваться для производства дисплеев, осветительных элементов, радиочастотных усилителей, в рентгеновских установках, ионизаторов газовых сред, измерителей вакуума.The invention relates to the field of nanotechnology, in particular to a method for surface treatment of electron-field cathodes made of carbon nanomaterials, which can be used for the production of displays, lighting elements, radio frequency amplifiers, in x-ray installations, ionizers of gaseous media, vacuum meters.
Для обработки поверхности электронно-полевых катодов на основе углеродных материалов известен метод термохимической обработки путем использования лазерного излучения [Патент WO 00/77813 A1 (Lightlab AB), 21 December 2000 (21.12.2000)], в результате применения которого достигается желаемое распределение эмитирующих элементов по высоте и по поверхности, а также увеличивается продолжительности работы эмитирующего элемента. Недостатком данного метода является высокая стоимость применяемого устройства - лазера и сложность управления устройством в процессе получения необходимой структуры поверхности электронно-полевого катода. Известен способ обработки [Патент WO 96/25753 (Kentucky Research and Investment Co. Ltd), 22 August 1996 (22.08.1996)], заключающийся в том, что для улучшения характеристик электронно-полевого эмиттера его поверхность предварительно изменяют методами ионной бомбардировки для формирования нерегулярностей и улучшения характеристик электронно-полевой эмиссии с поверхности, а затем используется термотоковое выжигание при приложении импульсов высокого напряжения между катодом и анодом в вакууме для сглаживания неровностей, образованных на первом этапе, для получения однородной электронной эмиссии. Недостатком данного метода является сложность и высокая стоимость применяемых устройств (высоковакуумная установка) и необходимость предварительной обработки поверхности электронно-полевых катодов для получения необходимых параметров электронной эмиссии.To process the surface of electron-field cathodes based on carbon materials, the method of thermochemical processing by using laser radiation is known [Patent WO 00/77813 A1 (Lightlab AB), December 21, 2000 (December 21, 2000)], which results in the desired distribution of emitting elements in height and on the surface, and also increases the duration of the emitting element. The disadvantage of this method is the high cost of the device used - the laser and the complexity of controlling the device in the process of obtaining the necessary surface structure of the electron-field cathode. A known method of processing [Patent WO 96/25753 (Kentucky Research and Investment Co. Ltd), August 22, 1996 (08.22.1996)], which consists in the fact that to improve the characteristics of the electron-field emitter, its surface is preliminarily changed by ion bombardment methods to form irregularities and improve the characteristics of electron-field emission from the surface, and then thermo-current burning is used when applying high voltage pulses between the cathode and anode in vacuum to smooth out the irregularities formed in the first stage to obtain single bottom of electronic emission. The disadvantage of this method is the complexity and high cost of the devices used (high vacuum installation) and the need for preliminary surface treatment of the electron-field cathodes to obtain the necessary parameters of electron emission.
Наиболее близким техническим решением является метод [Патент US 005857882A (L.S.Pam et al.), 12 January 1999 (12.01.1999)], в котором для получения однородной электронной эмиссии с поверхности электронно-полевого катода и для улучшения характеристик электронной полевой эмиссии поверхность катода, состоящего из поликристаллических или монокристаллических алмазных пленок, алмазоподобного углерода, графита или аморфного графита, сканируется металлическим вольфрамовым электродом, причем между электродом и пленкой прикладывается высокое электрическое напряжение (около 1500 В). Сканирование происходит по всей поверхности пленки на одинаковом расстоянии между электродами (около 10 мкм). В результате такой обработки могут быть получены электронно-полевые эмиттеры с улучшенными характеристиками. Однако метод требует больших временных затрат, сложен в эксплуатации, особенно при обработке поверхностей сложной формы и, вследствие этого, неэкономичен.The closest technical solution is the method [Patent US 005857882A (LSPam et al.), January 12, 1999 (12.01.1999)], in which, to obtain uniform electron emission from the surface of the electron field cathode and to improve the characteristics of electron field emission, the cathode surface consisting of polycrystalline or single-crystal diamond films, diamond-like carbon, graphite or amorphous graphite is scanned with a metal tungsten electrode, and a high electric voltage is applied between the electrode and the film e (about 1500 V). Scanning takes place over the entire surface of the film at the same distance between the electrodes (about 10 microns). As a result of such processing, electron-field emitters with improved characteristics can be obtained. However, the method is time-consuming, difficult to operate, especially when machining surfaces of complex shape and, therefore, uneconomical.
Задачей изобретения является экономичный метод обработки плоской поверхности массива электронно-полевых эмиттеров на основе углеродных материалов для улучшения однородности электронно-полевой эмиссии по всей площади полевого катода, улучшения характеристик электронно-полевой эмиссии, формирование необходимых структур на поверхности электронно-полевого катода и увеличение производительности.The objective of the invention is an economical method of processing a flat surface of an array of electron-field emitters based on carbon materials to improve the uniformity of electron-field emission over the entire area of the field cathode, improve the characteristics of electron-field emission, the formation of the necessary structures on the surface of the electron-field cathode and increase productivity.
Техническим результатом изобретения является получение однородной электронно-полевой эмиссии с поверхности катода, улучшение характеристик электронно-полевой эмиссии и увеличение производительности.The technical result of the invention is to obtain a homogeneous electron-field emission from the surface of the cathode, improving the characteristics of electron-field emission and increasing productivity.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки электронно-полевых катодов, включающем сканирование поверхности электронно-полевого катода с нанесенным электронно-полевым эмиттером, металлическим электродом, на который подают положительный потенциал относительно катода, в качестве электронно-полевого эмиттера используют углеродные нанотрубы, в качестве сканирующего электрода используют металлическую нить, сканирование ведут при перемещении электронно-полевого катода и/или электрода, при этом на электрод подают постоянный или импульсный потенциал с последующим прожиганием заданной структуры на поверхности эмиттера, а также тем, что электронно-полевой катод перемещают по горизонтали, а электрод по вертикали, скорость перемещения электронно-полевого катода составляет 0,5-10,0 мм/мин, в качестве металлической нити используют тугоплавкие металлы, металлическую нить нагревают от 500°С до 1000°С, на электрод подают постоянный потенциал в 300-400 В, а импульсный потенциал с частотой 1 кГц-10 кГц.The technical result is achieved by the fact that in the method of processing electron-field cathodes, including scanning the surface of the electron-field cathode with an electron-field emitter deposited, a metal electrode, which serves a positive potential relative to the cathode, carbon nanotubes are used as the electron-field emitter, as a scanning electrode, a metal thread is used, scanning is carried out when moving the electron-field cathode and / or electrode, while the electrode is supplied with potential or impulse potential with subsequent burning of a given structure on the surface of the emitter, as well as the fact that the electron-field cathode is moved horizontally and the electrode is vertical, the speed of the electron-field cathode is 0.5-10.0 mm / min, Refractory metals are used as the metal filament, the metal filament is heated from 500 ° C to 1000 ° C, a constant potential of 300-400 V is applied to the electrode, and a pulsed potential with a frequency of 1 kHz-10 kHz.
В качестве источника электронно-полевой эмиссии используется массив углеродных нанотруб. Выбор углеродных нанотруб диктуется тем, что параметры полевой электронной эмиссии углеродных нанотруб характеризуются очень низкими значениями пороговых напряжений электрического поля и высокой плотностью тока, возможно также использование в качестве источников электронно-полевой эмиссии материалов из алмазных пленок, алмазоподобного углерода, графита и аморфного углерода. Катод, состоящий из подложки с нанесенным источником электронно-полевой эмиссии (эмиттером), закрепляют на подвижной платформе. Над поверхностью источника электронно-полевой эмиссии размещают электрод в виде металлической нити. Материалом, из которого выполнена нить, может быть вольфрам, нихром, платина или другие тугоплавкие материалы. Платформу перемещают в горизонтальной плоскости, а электрод - металлическую нить - перемещают в вертикальной плоскости. На металлическую нить подают положительный или импульсный потенциал относительно катода (типичные значения около 300-400 В, частота импульсов 1 кГц-10 кГц). Затем платформу приводят в движение при постоянном расстоянии между подложкой и металлическим электродом (типичные значения скорости движения от 0,5 мм/мин до 10 мм/мин). При прохождении металлической нити над поверхностью электронного полевого катода выступы и неоднородности нанесенных углеродных нанотруб на поверхности катода отгорают в результате термохимических процессов, проходящих на поверхности катода при окружающей атмосфере. Поверхность становится ровной, что приводит к однородной электронной эмиссии с поверхности катода. Также для улучшения рабочих характеристик электронно-полевой эмиссии на поверхности катода формируют заранее заданную структуру путем подачи импульсного потенциала на электрод в заданном месте, таким образом, на поверхности происходит выжигание различных структур типа ступенек или регулярных сеток. В результате улучшаются характеристики электронно-полевой эмиссии (уменьшение значения пороговых значений электрического поля и увеличение плотности тока). Обработка поверхности производится в нормальных условиях при обычной атмосфере. Для увеличения эффективности обработки возможно изменение условий обработки - увеличение температуры металлической нити до 500°-1000°С или изменение формы электрического потенциала при сканировании (подачи постоянного или импульсного потенциала в зависимости от поставленной задачи). Сравнение заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что в качестве материала катода используется массив углеродных нанотруб и сканирующий электрод выбирается в виде металлической нити. В известном методе с целью улучшения рабочих характеристик также необходима предварительная обработка поверхности катода до процесса сканирования. В предложенном методе обработки в процессе сканирования на поверхности массива электронно-полевых катодов формируют заранее заданную структуру для улучшения характеристик полевой эмиссии. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия» На фиг.1а, б приведена схема метода обработки массива электронно-полевых катодов. На фиг.1a на подвижной платформе закрепляют подложку 1 с электронно-полевым эмиттером, которым является массив углеродных нанотруб. Над подложкой с электронно-полевым эмиттером помещают электрод в виде металлической нити 2. На электрод подают положительный потенциал, после чего платформу приводят в движение в горизонтальной плоскости. На фиг 1б показано, как при прохождении металлической нити 2 над поверхностью катода выступы и неоднородности на поверхности углеродных нанотруб 3 отжигаются и получают ровную поверхность полевого катода, состоящего из углеродных нанотруб 4. При выжигании полосок на поверхности углеродных нанотруб в нужном месте получают заданную структуру в виде ступеньки или сетки 5.An array of carbon nanotubes is used as a source of electron-field emission. The choice of carbon nanotubes is dictated by the fact that the field electron emission parameters of carbon nanotubes are characterized by very low threshold electric field voltages and a high current density, and it is also possible to use materials from diamond films, diamond-like carbon, graphite, and amorphous carbon as sources of electron-field emission. The cathode, consisting of a substrate with a deposited electron-field emission source (emitter), is mounted on a movable platform. An electrode in the form of a metal thread is placed above the surface of the electron-field emission source. The material from which the thread is made may be tungsten, nichrome, platinum or other refractory materials. The platform is moved in a horizontal plane, and the electrode - a metal thread - is moved in a vertical plane. A positive or impulse potential relative to the cathode is applied to the metal filament (typical values are about 300-400 V,
На фиг.2а представлены фотографии поверхности образца из массива углеродных нанотрубок сразу после синтеза и на фиг.2б показана микрография поверхности после обработки.On figa presents photographs of the surface of the sample from an array of carbon nanotubes immediately after synthesis and on figb shows a micrograph of the surface after processing.
На фиг.3 приведены вольтамперные характеристики 1 исходного образца и вольтамперные характеристики 2 образца, полученного при модификации поверхности и отжиге ступеньки. Наблюдается значительное возрастание плотности тока после образования ступеньки.Figure 3 shows the current-
На фиг.4 приведены фотографии светящихся дисплеев, полученных от электронно-полевых катодов исходного образца 1 и образца при модификации поверхности и отжиге полосок 2. Характеристики светимости улучшаются после модификации поверхности - светящихся центров становится больше, а в месте, где были выжжены две полоски, наблюдаются две светящиеся линии.Figure 4 shows photographs of the luminous displays obtained from the electron-field cathodes of the
Использование предлагаемого способа обработки поверхности массива электронно-полевых эмиттеров на основе углеродных материалов обеспечивает следующие преимущества: использование сканирования поверхности массива электронно-полевых эмиттеров при помощи металлической нити, на которую подается положительный потенциал относительно катода, обеспечивает высокую производительность процесса обработки.Using the proposed method for processing the surface of an array of electron-field emitters based on carbon materials provides the following advantages: the use of scanning the surface of an array of electron-field emitters with a metal thread, to which a positive potential is applied relative to the cathode, provides a high productivity of the processing process.
Возможность получения равномерной эмиссии со всей площади массива электронно-полевых эмиттеров и формирования структур - ступенек или полосок на поверхности массива для улучшения характеристик электронно-полевой эмиссии при последовательной обработке электродом в процессе сканирования.The ability to obtain uniform emission from the entire area of the array of electron-field emitters and the formation of structures - steps or strips on the surface of the array to improve the characteristics of electron-field emission during sequential processing by the electrode during scanning.
Примеры конкретного исполненияExamples of specific performance
Пример №1Example No. 1
На подвижной платформе закрепляют катод в виде кремниевой подложки, на которую нанесены углеродные нанотрубы длиной около 100 мкм. При помощи микроскопа между образцом и металлической нитью выставляют минимальное расстояние, при котором не происходит соприкосновение между образцом и нитью. Затем на металлическую нить прикладывается положительный потенциал относительно катода порядка 300 В, после чего платформу приводят в движение посредством шагового двигателя со скоростью 5 мм в минуту. Металлическая нить, положение которой варьируется по вертикали, изготовлена из вольфрама диаметром 0.05 мм. Размер образцов, тестируемых в качестве полевых катодов, составлял 5×5 мм2. Измерение параметров полевых катодов проводилось путем регистрации светимости на дисплее. При регистрации светимости дисплеев в качестве анодов использовались стеклянные экраны с токопроводящим слоем оксидов индия и олова, на который наносился слой люминофора. Измерение светимости проводилось в диодном режиме, в вакууме ~3·10-6 мм рт.ст. и комнатной температуре. Расстояние между образцом (катодом) и экраном (анодом) 1000 мкм. На фиг.3 показано, что характеристики светимости улучшаются после модификации поверхности - светящихся центров становится больше, а в месте, где были выжжены две полоски, наблюдаются две светящиеся линии 2.A cathode in the form of a silicon substrate, onto which carbon nanotubes with a length of about 100 μm, is deposited, is fixed on a movable platform. Using a microscope, a minimum distance is set between the sample and the metal thread, at which there is no contact between the sample and the thread. Then, a positive potential relative to the cathode of the order of 300 V is applied to the metal thread, after which the platform is set in motion by a stepper motor at a speed of 5 mm per minute. The metal thread, the position of which varies vertically, is made of tungsten with a diameter of 0.05 mm. The size of the samples tested as field cathodes was 5 × 5 mm 2 . The parameters of the field cathodes were measured by recording the luminosity on the display. When registering the luminosity of displays, glass screens with a conductive layer of indium and tin oxides, on which a phosphor layer was applied, were used as anodes. The luminosity was measured in the diode mode, in a vacuum ~ 3 · 10 -6 mm Hg. and room temperature. The distance between the sample (cathode) and the screen (anode) is 1000 microns. Figure 3 shows that the luminosity characteristics improve after surface modification - there are more luminous centers, and two
Пример №2Example No. 2
На подвижной платформе закрепляют катод в виде кремниевой подложки, на которую нанесены углеродные нанотрубы длиной около 100 мкм. Металлическая нить выполнена из нихрома. Металлическую нить нагревают до 550°C. Затем к металлической нити прикладывают потенциал относительно катода 400 В с частотой импульсов 1 кГц, после чего платформу приводят в движение посредством шагового двигателя со скоростью 1 мм в минуту. Измерение параметров полевых катодов проводилось путем измерения вольтамперных характеристик полевых катодов. Регистрация вольтамперных характеристик осуществлялась в диодном режиме в вакууме ~5·10-4 Па при комнатной температуре. На фиг.3 показано значительное возрастание плотности тока после обработки поверхности катода.A cathode in the form of a silicon substrate, onto which carbon nanotubes with a length of about 100 μm, is deposited, is fixed on a movable platform. The metal thread is made of nichrome. The metal thread is heated to 550 ° C. Then, a potential relative to the 400 V cathode with a pulse frequency of 1 kHz is applied to the metal filament, after which the platform is set in motion by a stepper motor at a speed of 1 mm per minute. The parameters of the field cathodes were measured by measuring the current-voltage characteristics of the field cathodes. The current-voltage characteristics were recorded in the diode mode in a vacuum of ~ 5 · 10 -4 Pa at room temperature. Figure 3 shows a significant increase in current density after processing the surface of the cathode.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010123104/07A RU2468462C2 (en) | 2010-06-07 | 2010-06-07 | Method of treatment of electronic-field cathodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010123104/07A RU2468462C2 (en) | 2010-06-07 | 2010-06-07 | Method of treatment of electronic-field cathodes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010123104A RU2010123104A (en) | 2011-12-20 |
| RU2468462C2 true RU2468462C2 (en) | 2012-11-27 |
Family
ID=45403683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010123104/07A RU2468462C2 (en) | 2010-06-07 | 2010-06-07 | Method of treatment of electronic-field cathodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2468462C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652980C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-05-04 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" | Method of modification of emission surface of electrodes for field emission instruments |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5588893A (en) * | 1995-06-06 | 1996-12-31 | Kentucky Research And Investment Company Limited | Field emission cathode and methods in the production thereof |
| US5857882A (en) * | 1996-02-27 | 1999-01-12 | Sandia Corporation | Processing of materials for uniform field emission |
| WO2000077813A1 (en) * | 1999-06-10 | 2000-12-21 | Lightlab Ab | Method of producing a field emission cathode, a field emission cathode and a light source |
| CN101261916A (en) * | 2008-04-08 | 2008-09-10 | 北京大学 | A single carbon nanotube electron field emission cathode and its preparation method |
| CN201359984Y (en) * | 2009-02-23 | 2009-12-09 | 东南大学 | Combined type field emission cathode structure |
-
2010
- 2010-06-07 RU RU2010123104/07A patent/RU2468462C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5588893A (en) * | 1995-06-06 | 1996-12-31 | Kentucky Research And Investment Company Limited | Field emission cathode and methods in the production thereof |
| US5857882A (en) * | 1996-02-27 | 1999-01-12 | Sandia Corporation | Processing of materials for uniform field emission |
| WO2000077813A1 (en) * | 1999-06-10 | 2000-12-21 | Lightlab Ab | Method of producing a field emission cathode, a field emission cathode and a light source |
| CN101261916A (en) * | 2008-04-08 | 2008-09-10 | 北京大学 | A single carbon nanotube electron field emission cathode and its preparation method |
| CN201359984Y (en) * | 2009-02-23 | 2009-12-09 | 东南大学 | Combined type field emission cathode structure |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2652980C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-05-04 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" | Method of modification of emission surface of electrodes for field emission instruments |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010123104A (en) | 2011-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6020677A (en) | Carbon cone and carbon whisker field emitters | |
| US7811149B2 (en) | Method for fabricating carbon nanotube-based field emission device | |
| US5948465A (en) | Process for making a field emitter cathode using a particulate field emitter material | |
| JP2001348296A (en) | Diamond having needle-like surface, carbon-based material having cilia-like surface, method for producing the same, electrode and electronic device using the same | |
| JPH08236010A (en) | Field emission device using hyperfine diamond particle-form emitter and its preparation | |
| TWI450858B (en) | Method for preparing nano carbon tube slurry | |
| CN101409189B (en) | Field emission electrode, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof | |
| US20070284573A1 (en) | Gate controlled field emission triode and process for fabricating the same | |
| JP5517369B2 (en) | Cold cathode electron source, manufacturing method thereof, field emission flat panel display and lamp | |
| RU2468462C2 (en) | Method of treatment of electronic-field cathodes | |
| US6310431B1 (en) | Annealed carbon soot field emitters and field emitter cathodes made therefrom | |
| US7755271B2 (en) | Field emission electrode, manufacturing method thereof, and electronic device | |
| CN110767515A (en) | A carbon nanotube array beam with adjustable aspect ratio applied to field emission cold cathode and its preparation method | |
| CN102476787A (en) | Preparation method of ZnO nanowire array | |
| KR20100074441A (en) | Field emission device using graphite and manufacturing method thereof | |
| TW200306609A (en) | Field electron emission materials and devices | |
| CN1288584A (en) | Plasma treatment method for producing electron emitters | |
| JP2021089841A (en) | Field electron-emitting element and light-emitting element, and manufacturing methods thereof | |
| Yang et al. | The field emission characteristics of titanium-doped nano-diamonds | |
| KR100317891B1 (en) | Field emmision device using vitreous carbon and manufacturing method thereof | |
| McLoughlin et al. | Growth and field emission properties of ZnO nanostructures deposited by a novel pulsed laser ablation source on silicon substrates | |
| RU2225052C1 (en) | Autoemission cathode manufacturing process | |
| JP4469778B2 (en) | Field emission electrode, method for manufacturing field emission electrode, and electronic apparatus | |
| CN1702806A (en) | Method of stabilizing field emitter | |
| JPH09223455A (en) | Surface structure control method and electron source and plane display using it |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150608 |