Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы

Н.В. ЕГОРОВ, Е.П. ШЕШИН





                АВТОЭЛЕКТРОННАЯ
                ЭМИССИЯ




  ПРИНЦИПЫ И ПРИБОРЫ










л

                                          Издательский Дом
                                          ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

    Н.В. Егоров, Е.П. Шешин
       Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы: Учебнник-монография / Н.В. Егоров, Е.П. Шешин— Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 704 с.
       ISBN 978-5-91559-027-3

       Учебник-монография по актуальному направлению на стыке «классической» вакуумной электроники и нанотехнологий. Наряду с теоретическими моделями особенно подробно даны сведения об экспериментальной технике для исследований, технологиях изготовления эмиттеров и различных конструкциях автокатодов. Подробно изложены результаты исследований и применения новых наноматериалов и углеродных нанотрубок для создания автокатодов и электронных пушек на их основе. Рассмотрены применения автокатодов в новых источниках света и плоских дисплеях, СВЧ приборах и рентгеновских трубках.
       Для студентов старших курсов и преподавателей, инженеров-разработчиков в различных областях прикладной физики и электроники.





















ISBN 978-5-91559-027-3

    © 2011, Н.В. Егоров, Е.П. Шешин
    © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

          ОГЛАВЛЕНИЕ










    Предисловие......................................................7
    Введение.........................................................9
    Глава 1
    ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ............................................. 11

        1.1. Введение............................................. 11
        1.2. Теория АЭЭ из металлов Фаулера—Нордгейма (ФН).........24
        1.3. Классическая теория АЭЭ из полупроводников Моргулиса—Стреттона....................................... 34
        1.4. Элементы теории микроскопа-проектора Мюллера..........42
        1.5. Недостатки классических теорий АЭЭ и границы их применимости........................................... 53
        Литература................................................ 60
    Глава 2
    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДИКА...........................63

        2.1. Автоэлектронные микроскопы............................63
           2.1.1. Конструкция автоэлектронных микроскопов ........ 68
           2.1.2. Специальные конструкции ........................ 73
        2.2. Анализаторы полных энергий автоэлектронов............ 80
        2.3. Универсальные конструкции автоэлектронных микроскопов.94
        2.4. Электронные системы..................................104
        2.5. Технология изготовления эмиттеров....................106
        2.6. Некоторые методические примеры использования автоэлектронных микроскопов...............................................140
        Литература............................................... 151
    Глава 3
     СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ...................................... 161

        3.1. Введение............................................ 161

—1 Оглавление

        3.2. Теория термоавтоэлектронной эмиссии (ТАЭЭ) из металлов..173
        3.3. Автоэлектронная спектроскопия. Энергетическое распределение автоэлектронов и термоавтоэлектронов, эмитированных
           из металла.................................................185
        3.4. Феноменологические теории автоэлектронной эмиссии из полупроводников ........................................ 191
        3.5. Теоретические аспекты явлений и процессов на поверхности при автоэлектронной эмиссии.................................208
        Литература....................................................220
    Глава 4
    МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОКАТОДОВ.................227

        4.1. Моделирование потенциального барьера и прозрачности потенциального барьера по экспериментальным данным..........227
        4.2. Расчет теоретических характеристик металлического автокатода для модельной конфигурации его вершины......................241
        4.3. Моделирование структуры поверхности металлического автокатода...................................................248
        4.4. Моделирование распределения работы выхода по поверхности автокатода...................................................257
        4.5. Теоретические исследования физических процессов, влияющих на предельные плотности тока АЭЭ............................266
        Литература....................................................283
    Глава 5
    АВТОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ............................................288

        5.1. Основные проблемы автоэлектронных катодов................288
        5.2. Острийные и многоострийные автокатоды ...................295
        5.3. Лезвийные и проволочные автокатоды.......................315
        5.4. Пленочные автокатоды.....................................323
        5.5. Автоэлектронные катоды из нитевидных кристаллов..........333
        5.6. Автоэмиссионные наноструктуры на основе нанопористого анодного оксида алюминия....................................345
        5.7. Другие типы автокатодов..................................354
        Литература....................................................363
    Глава 6
    АВТОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ..................377

        6.1. Углеродные волокна.......................................377
           6.1.1. Полиакрилонитрильные углеродные волокна.............377
           6.1.2. Углеродные нановолокна .............................389
        6.2. Углеродные нанотрубки....................................392
           6.2.1. Особенности структуры и автоэмиссии.................392
           6.2.2. Некоторые способы выращивания углеродных нанотрубок.399

Оглавление —I 5

    6.3. Неориентированные структуры..................................406
    6.4. Углеродные фольги............................................411
    6.5. Плоские автокатоды больших размеров..........................422
        6.5.1. Электрофорез...........................................422
        6.5.2. Метод трафаретной печати...............................428
        6.5.3. Конструкционные металлы ...............................433
    6.6. Улучшение эмиссионных свойств................................434
        6.6.1. Формовкаавтокатодов....................................434
        6.6.2. Предварительная обработка..............................436
        6.6.3. Покрытия и легирование.................................439
    6.7. Особенности измерения и анализа вольт-амперных характеристик углеродных материалов...........................................443
        6.7.1. Способы измерения вольт-амперных характеристик и их особенности  443
        6.7.2. Методика проведения долговременных автоэмиссионных испытаний и анализа экспериментальных данных...........................451
        6.7.3. Оценка равномерности эмиссии с поверхности автокатода .457
        6.7.4. Разработанный алгоритм сбора и предварительной обработки экспериментальных данных...........................460
    Литература........................................................464

Глава 7
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК НА ОСНОВЕ АВТОКАТОДОВ........................476

    7.1. Введение.....................................................476
    7.2. Общая задача расчета оптимальной структуры электронных пушек на основе одноострийных и многоострийных автокатодов (модельАлмазова—Егорова [25], [27], [39], [40], [41])...........483
    7.3. Математическое моделирование модельных триодных электронно-оптических систем....................................499
    7.4. Расчет распределения электрического поля в системах формирования и управления на основе автоэлектронного катода и системы фокусирующих диафрагм с малыми радиусами отверстий..............509
    7.5. Расчет оптимальных характеристик в системах формирования и управления на основе автокатода и системы фокусирующих диафрагм........................................................514
    7.6. Расчет электронных траекторий в системе с автокатодом........529
    Литература........................................................544

Глава 8
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ АВТОКАТОДОВ............................548

    8.1. Источники света..............................................548
        8.1.1. Принцип действия ......................................548
        8.1.2. Пальчиковые катодолюминесцентные лампы.................554
        8.1.3. Плоские катодолюминесцентные источники света...........562
        8.1.4. Цилиндрические катодолюминесцентные источники света....570
        8.1.5. Сферические катодолюминесцентные источники света.......574

\f Оглавление

             8.1.6. Основные направления использования катодолюминесцентных источников света..............................................574
         8.2. Плоские дисплейные экраны....................................582
             8.2.1. Дисплейные экраны с острийными автокатодами............584
             8.2.2. Диодные дисплейные экраны..............................588
             8.2.3. Триодные дисплейные экраны.............................594
             8.2.4. Многоэлектродные дисплейные экраны ....................602
             8.2.5. Дисплейные экраны латеральной конструкции..............604
             8.2.6. Экраны с обратным расположением управляющего электрода.606
             8.2.7. Дисплеи с тонкопленочными автокатодами.................609
         8.3. Приборы СВЧ..................................................614
             8.3.1. Автоэмиссионные микротриоды и усилители................618
             8.3.2. Магнетроны.............................................621
             8.3.3. Лампы бегущей волны....................................625
             8.3.4. Отражательные клистроны................................627
         8.4. Рентгеновские трубки.........................................628
         8.5. Электронные пушки............................................634
             8.5.1. Общие принципы.........................................634
             8.5.2. Методы локализации автоэмиссии.........................636
             8.5.3. Маломощные электронные пушки...........................640
             8.5.4. Мощные электронные пушки...............................651
         8.6. Другие типы приборов.........................................654
             8.6.1. Нагреватели............................................654
             8.6.2. Сенсоры................................................660
             8.6.3. Элементы памяти........................................662
             8.6.4. Источники ионов........................................665
             8.6.5. Полноцветные проекторы ................................667
         Литература........................................................670

Заключение (перспективы развития).....................................686
         1. Развитие традиционных технологий...............................687
         2.  Новые материалы...............................................691
         3. Нанотехнология.................................................693
         4.  Обработка автокатодов.........................................696
         5. Увеличение равномерности потока электронов.....................698
         6.  Фокусировка электронного пучка................................702
         Литература........................................................702

ПРЕДИСЛОВИЕ










               С момента выхода монографии М.И. Елинсона и Г.Ф. Васильева «Автоэлектронная эмиссия» прошло уже более 50 лет. За эти годы во всем мире и у нас в стране опубликовано огромное количество работ, проведены сотни конференций по всем направлениям автоэмиссионной электроники. Тем не менее до сих пор не выпущено ни одной работы по обобщению таких материалов.
       Эта книга посвящена некоторому обобщению теоретических, экспериментальных и приборных тенденции современной автоэлектронной эмиссии, что может помочь в создании новых приборов на основе наноструктурированных материалов.
       Поскольку само явление автоэлектронной эмиссии не требует затрат энергии, то есть возможность создания высокоэффективных энергосберегающих приборов и технологий.
       Книга условно разделена на три составные направления: теоретические модели и формулы для расчета элементов электронных пушек; экспериментальная техника и технология, а также основы практического использования автокатодов в электронных приборах. Особое внимание уделено рассмотрению особенностей автоэлектронной эмиссии из углеродных наноструктурированных материалов и приборов на их основе, так как по мнению авторов, эти материалы являются наиболее перспективными для приборов с автокатодами.
       Приведены перспективные направления развития приборов с автоэлектронными катодами.
       При написании книги авторы не ставили своей целью осветить полностью все работы в данных областях или хотя бы большую часть. Основу книги составляют теоретические, методические и экспериментальные результаты, полученные авторами и коллективами, ими возглавляемыми на кафедре вакуумной электроники Московского физико-технического института и на кафедре моделирования электро

—1 Предисловие

    механических и компьютерных систем Санкт-Петербургского государственного университета.
       В процессе этих работ были предложены многие оригинальные модели, методики и приборы. Некоторая часть этих результатов приведена в этой книге.
       Авторы выражают глубокую благодарность исследователям, результаты работ которых были использованы в книге, а также своим коллегам и ученикам, многолетнее сотрудничество с которыми, проведение совместных исследований и обсуждение их результатов стали основными мотивами написания данной книги. Особо благодарны авторы Елене Викторовне Бойко и Андрею Геннадьевичу Карпову, чья неоценимая помощь в оформлении книги способствовала успешному завершению работы над ней, а также Андрею Сергеевичу Батурину за помощь в организации выпуска этой книги.
       Главы 1, 3, 4, 7 написаны Н.В. Егоровым.
       Введение, главы 2, 5, 6, 8 и заключение написаны Е.П. Шешиным.

          ВВЕДЕНИЕ










               Среди актуальных задач современной электроники важное место отводится созданию стабильных автоэмиссионных катодов, способных длительное время работать в условиях высокого технического вакуума (10⁻⁶—10⁻⁷ мм рт. ст.). Преимущества автоэлектронных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов хорошо известны. К их числу относятся: отсутствие накала; высокая плотность тока автоэмиссии; устойчивость к колебаниям температуры; малая чувствительность к внешней радиации; безынерционность; экспоненциально высокая крутизна вольт-амперных характеристик. Совокупность этих свойств обусловливает перспективность использования автокатодов в различных электронных приборах, таких, как электронно-лучевые приборы, плоские дисплейные экраны и т. д.
       Основная трудность в создании стабильных автоэлектронных катодов состоит в том, что автоэлектронная эмиссия чрезвычайно чувствительна к изменению геометрии катода и состоянию его поверхности. Работа автоэлектронного катода в электронном приборе сопровождается различными процессами, происходящими на его поверхности, основные из них: ионная бомбардировка, пондеромо-торные нагрузки,дсорбция и десорбция молекул остаточных газов; поверхностная миграция и т. д. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации автокатода перечисленные процессы, порознь или в некоторой совокупности, приводят к ряду эффектов, изменяющих режим их работы: катодное распыление материала, изменение формы эмитирующей поверхности, изменение количества и расположения микровыступов, изменение работы выхода электронов, разогрев катода, механические напряжения.
       Автоэлектронная эмиссия является наиболее экономичным видом эмиссии свободных электронов, а это дает возможность созда

¹⁰ -V

Введение

    ния новых поколений эффективных электронных приборов с новыми потребительскими свойствами.
       Для лучшего понимания явления и процессов, возникающих при автоэлектронной эмиссии, книга разделена на теоретическую и экспериментальные части.
       В теоретических главах рассмотрены особенности автоэлектронной эмиссии на основе современных физических и математических моделей и понятий.
       Экспериментальные главы посвящены экспериментальным методикам и технике автоэмиссионных экспериментов, а также вопросам практического применения автокатодов. Этот раздел включает в себя рассмотрение особенностей изготовления автокатодов различных типов и приборов на их основе.
       Особое внимание уделено перспективам развития автоэмисси-онной электроники.
       Для удобства пользования книгой список литературы прилагается отдельно к каждой главе.
       В этой книге предпринята попытка обобщения накопленного за многие годы опыта развития автоэлектронной эмиссии, что, по мнению авторов, должно дать новый импульс к развитию автокатодов и приборов на их основе в нашей стране.
       Авторы прекрасно понимают, что любой из разделов этой книги может быть доведен до размеров целой монографии.
       Но тем не менее для развития современной электроники XXI в. нам представляется необходимым обобщение накопленного за многие годы материала и издание этого труда, который будет стимулировать развитие автоэмиссионной электроники в России.