автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Матричные автоэмиссионные катоды из монолитных углеродных материалов для приборов вакуумной электроники

На правах рукописи

БУРЦЕВ Антон Александрович

МАТРИЧНЫЕ АВТОЭМИССИОННЫЕ КАТОДЫ ИЗ МОНОЛИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИБОРОВ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

4843685

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет" и ФГУП "НПП "Алмаз"

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Конюшков Геннадий Владимирович доктор технических наук, профессор Царев Владислав Алексеевич кандидат физико-математических наук Торгашов Геннадий Васильевич ФГУП "НИИ "Волга", г. Саратов

Защита состоится «24» февраля 2011 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат размещен на сайте: www.sstu.ru 24 января 2011 г.

Автореферат разослан «24» января 2011г. Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для создания систем формирования мощных электронных потоков в приборах СВЧ электроники представляют интерес источники электронов на основе автоэлектронной эмиссии из углеродных микро- и наноструктур. Активно ведутся работы по созданию автоэмиссионных катодов (АЭК) для конструкций катодно-сеточных узлов (КСУ) и электронных пушек, обладающих высокой плотностью тока автоэмиссии, отсутствием подогрева, безынерционностыо, экспоненциально высокой крутизной вольт-амперной характеристики, малой чувствительностью к внешней радиации и пр. Благодаря применению электронно-оптических систем с автоэмиссионными источниками электронов существенно повышается быстродействие радиоэлектронной аппаратуры, а также появляется возможность создания миниатюрных вакуумных приборов те-рагерцового диапазона с плотностью тока 100 А/см2 и более.

Основная трудность в создании стабильных АЭК состоит в технологических особенностях применяемых материалов и сложностях получения геометрически воспроизводимых многоострийных катодных и катодно-сеточных структур.

Особое место среди различных АЭК занимают матричные многоост-рийные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода, отличающиеся монолитностью эмиссионной структуры, высокой стабильностью в режиме автоэмиссии в сильных электрических полях, наряду с пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с металлами, долговечностью при то-коотборе со средней плотностью тока на катоде 10-И 00 А/см2, воспроизводимостью катодных структур. Это обусловливает перспективность их использования в конструкциях электронно-оптических систем ЭВП.

Более сорока лет назад в США были начаты работы по созданию матричных автоэмиссионных катодов, получивших в результате наименование катодов Спиндта. Впоследствии появилось множество публикаций по разработке и конструированию различного типа АЭК и КСУ, построенных на принципах конструкции Спиндта, которые продолжаются и сегодня. Существенный вклад в развитие физики и технологии автоэмиссионных источников электронов внесли и российские ученые: Бондаренко Б.В, Шешин Е.П., Рахимов А.Т., Гуляев Ю.В., Синицын Н.И., Григорьев Ю.А., Торгашов Г.В., Горфинкель Б.И., Фурсей Г.Н. и др.

Появление новых пленочных углеродных наноструктурных материалов открывает пути и возможности для использования их в качестве автоэмиссионных источников электронов. Тем не менее использование монолитных АЭК из стеклоуглерода в мощных приборах вакуумной СВЧ электроники в настоящее время также можно считать актуальной задачей эмиссионной электроники.

В силу недостаточности теоретического, технологического и экспериментального исследования особенностей изготовления и работы АЭК в вакуумных СВЧ приборах была сформулирована цель данной работы.

Цель работы: разработка современной технологии изготовления монолитных стеклоуглеродных матричных многоострийных структур для АЭК, исследование их эмиссионных характеристик и разработка конструкций электронных пушек для эффективных СВЧ приборов с микросекундным временем готовности.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научно-технические задачи:

• проанализированы и выбраны обоснованные технологические операции получения микроразмерных матричных структур из стеклоугле-рода с упаковкой 106-107см'2;

• проведена отработка процесса группового плазмохимического микрозаострения цилиндрических выступов в низкотемпературной кислородной плазме для получения ЗБ поверхности матричной многоострийной автоэмиссионной микроструктуры из стеклоуглеродных конических ост-рий с периодом структуры 10-5 мкм;

• исследованы структурные и эмиссионные свойства матричного автоэмиссионного катода из стеклоуглерода;

• разработаны конструкции экспериментальных диодных макетов с АЭК и исследовано влияние межэлектродного зазора на вольтамперные характеристики;

• разработана экспериментально-расчетная методика оценки величины работы выхода углеродных материалов, применяемых для АЭК;

• проведено компьютерное моделирование формирования электронных потоков в электронных пушках с матричными АЭК;

• разработаны конструкции экспериментальных образцов АЭК для электровакуумных приборов сверхвысокочастотной электроники с микросекундным временем готовности.

Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы современные методы экспериментального анализа с применением принципов вакуумной микроэлектроники, электронной оптики, а также современные средства компьютерного моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, а также апробацией результатов работы на опытных образцах АЭК и их соответствием фундаментальным законам автоэмиссии.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложена и реализована технология группового микро-, нано-размерного заострения путем воздействия низкотемпературной плазмой 4

ВЧ разряда (/=13,56 МГц) в кислородной среде на монолитную углеродную структуру из многоэлементной системы цилиндрических микроразмерных выступов с плотностью упаковки Лг=(10б-107) см"2 при температуре нагрева 50-60°С и давлении 66-70 Па, обеспечивающая формирование многоострийной матричной углеродной структуры с наноразмерным рельефом вершин.

2. Автоэлектронная эмиссия многоострийных стеклоуглеродных матриц в микродиодах сопровождается ростом автоэмиссионного тока на 3-4 порядка при увеличении межэлектродного зазора и при сохранении постоянной средней напряженности электростатического поля, что связано с нелинейными изменениями в распределении электростатического поля вблизи поверхности АЭК.

3. Экспериментально установлено, что автоэмиссионный ток в диоде с многоострийным матричным катодом из стеклоуглерода при изменении температуры окружающей среды в интервале от 20 до 500°С существенно возрастает, что является следствием уменьшения величины работы выхода материала многоострийного матричного автоэмиссионного катода.

4. На основе применения компьютерного траекторного анализа формируемых электронных потоков предложены конструкции автоэмиссионных электронных пушек с анодной модуляцией, низковольтным сеточным управлением и магнитным сопровождением, позволяющие осуществлять проектирование и разработку вакуумных приборов СВЧ на основе АЭК с микросекундным временем готовности (К1(У5с).

Научная новизна работы:

• впервые предложен усовершенствованный технологический маршрут получения многоострийных автоэмиссионных микро- нанострук-турных матричных катодов из монолитных углеродных материалов на примере стеклоуглерода СУ-2000, включающий термохимическую микроразмерную ЗЭ обработку поверхности углеродных пластин в среде водорода, плазмохимическое групповое микро-, нанозаострение эмиссионных центров в сочетании с технологией прецизионной фотолитографии с возможностью реализации плотности упаковки острий Л^=(106-108) см"2;

• получены матричные многоострийные автоэмиссионные катоды из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с плотностью упаковки Л^ОО6-4-106) см"2, с наноразмерным рельефом на вершинах острий, обеспечивающие получение плотности тока АЭК более 1 А/см2;

• теоретически и экспериментально показано, что при увеличении межэлектродного зазора в диоде до значений ¿/=2,5(/^-период микроструктуры) наблюдается значительный рост автоэмиссионного тока при постоянной средней напряженности электрического поля; при этом имеет место увеличение эффективной площади эмиссии и соответственно уменьшается плотность тока в эмиссионных центрах, что указывает на возможность долговременной работы АЭК;

• предложена и реализована экспериментально-расчетная методика оценки величины работы выхода материалов АЭК, в том числе для нано-структурированных углеродных материалов; по данной методике проведена оценка величины работы выхода материала одностенной углеродной нанотрубки с учетом ее геометрии и экспериментальным ВАХ, которая составила 4,89±0,1 эВ;

• проведено 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных электронных пушек, формирующих многолучевые электронные пучки в неоднородных магнитных полях и предложены новые конструкции: многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным многоострий-ным АЭК, многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и магнетрон-но-инжекторной пушки.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при разработке современных и перспективных СВЧ электровакуумных приборов. Технология изготовления матричных многоострийных АЭК прошла апробацию на ФГУП «НПП «Алмаз», конструкции электронных пушек на основе АЭК могут быть использованы в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций в ЛБВ сантиметрового диапазона и многолучевых клистронах. Полученные экспериментальные результаты и методики, а также численные модели позволят разработать ЭВП СВЧ с микросекундным временем готовности.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров-специалистов на кафедрах "Электронное машиностроение и сварка" и "Электронные приборы и устройства" СГТУ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции, посвященной 50-летию ФГУП «НПП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 2007); научно-практической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП» (Саратов, 2008, 2010); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), а также на школе-семинаре "Наноструктуры, модели, анализ и управление" МИЭМ (Москва, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ (4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в научных сборниках).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации полученных экспериментальных данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований. Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 113 наименований и приложения. Диссертация изложена на 126 листах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, приведены научные положения, представлена научная новизна, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе содержится аналитический обзор существующих проблем использования современных материалов и технологий для создания автоэмиссионных катодов, разработке на их основе электронно-оптических систем с АЭК для перспективных электровакуумных СВЧ приборов. Особое место уделяется многоострийным автоэмиссионным углеродным структурам на основе монолитного углеродного материала. Обладая стабильными автоэмиссионными свойствами при работе в высоковольтном режиме в условиях технического вакуума 10"5 мм. рт. ст., выдерживая интенсивную бомбардировку ионами остаточных газов при высоких пондеромоторных нагрузках, достигающих нескольких десятков кг/см2, многоострийные автоэмиссионные катоды (МАЭК) из монолитного стек-лоуглерода являются перспективными источниками автоэлектронной эмиссии. Также в главе проводится обзор различных конструкций авто-эмисионных диодных и триодных электронных пушек. Необходимо отметить основные условия построения автоэмиссионных катодных и катодно-сегочных структур:

вследствие большой чувствительности плотности автоэмиссионного тока катода к изменению действующего значения электростатического поля для сохранения однородности эмиссии необходимо применять микро-наноразмерные пленочные сеточные структуры над поверхностью катода;

при разработке и изготовлении электронных пушек необходимо обеспечить 100%-е прохождение электронов сквозь сетку и анодную диафрагму;

технология изготовления катодно-сеточных структур должна обеспечивать воспроизводимость их геометрических и эмиссионных параметров.

Вторая глава посвящена технологии получения автоэмиссионных многоострийных матриц на основе стеклоуглерода. Проведены исследования и разработка технологии получения ЗБ поверхности микроразмерной монолитной структуры из стеклоуглерода. Технология получения автоэмиссионных углеродных матриц на основе монолитного стеклоуглерода включает:

- полировку поверхности стеклоуглерода до 14 класса;

- активацию поверхности перед нанесением фоторезиста;

- получение изображения на пластине методом прецизионной фотолитографии;

- нанесение пленки никеля на поверхность пластины, не защищенной фоторезистом;

- термохимическую обработку стеклоуглерода в среде водорода;

- химическую очистку пластины от остатков никелевого покрытия;

- плазмохимическое микрозаострение 30 поверхности матричной монолитной структуры стеклоуглерода.

На рис. 1 представлены микрофотографии микроструктуры МАЭК из стеклоуглерода. Микроструктура состоит из острий высотой 10 мкм и диаметром основания 5 и 3 мкм. По данной технологии были изготовлены матричные структуры из стеклоуглерода СУ-2000 с плотностью упаковки Я = Ю6-4-106 см"2.

ШШ » Щ ги

Рис. 1 Микрофотографии микроструктуры МАЭК из стеклоуглерода (7^=106 см"2)

Многоострийная монолитная стеклоуглеродная структура имеет не только микроострия, расположенные в строго определенном порядке, но также на вершинах микроострий существует нанорельеф с нерегулярным распределением наноострий. Данный нанорельеф естественным образом влияет на распределение электростатического поля на поверхности вершин микроострий автоэмитгеров и существенно влияет на их автоэмиссионные характеристики.

Для создания многолучевых катодно-сеточных конструкций для 7 и 19-лучевой электронных пушек изготавливались с помощью размерной электроэрозионной обработки дисковые МАЭК из стеклоуглерода с автоэмиссионной многоострийной структурой на торцах цилиндрических катодных выступов, представленные на рисунке 2.

Рис. 2 Конструкции плоских МАЭК из стеклоуглерода. Диаметры катодных выступов: Д=0,5 мм (7 выступов), Д=0,39 мм (19 выступов)

Таким образом, в результате применения технологии фотолитографии, термохимического травления пленкой никеля и группового объемного микро- нанозаострения углеродного материала в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной среде получена матричная многоострий-ная автоэмиссионная структура из монолитного стеклоуглерода с плотностью упаковки И,, = 106-Ч07см"2.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования ВАХ МАЭК основе монолитного стеклоуглерода и анализ эмиссионных свойств МАЭК.

а б

Рис.3 а) Экспериментальные ВАХ микродиодов с расстояниями катод-анод <1=45 мкм (1); (1=35 мкм (2); <1=25 мкм (3); (1=15 мкм (4); (1=5 мкм (5); (1=3 мкм (6); (1=1 мкм (7).

6) Зависимость .Сер от расстояния катод-анод при различных величинах автоэмиссионного тока в диоде: 1 -//=30 мА; 2-/^=8 мА; 3- /г0,5 мА (импульсный режим т=10 мке, 2=1000); 4 — 7^=0,01 мА (непрерывный режим)

На рис. За представлены экспериментальные ВАХ при различных с/. Видно, что при уменьшении зазора при постоянном автоэмиссионном токе наблюдается существенно нелинейный рост средней напряженности поля, достигающей значения более 110 В/мкм.

Как видно из рис.36, при постоянной средней напряженности поля увеличение межэлектродного расстояния может приводить к росту автоэмиссионного тока на несколько порядков (103-К04). Получение равных по величине автоэмиссионных токов при уменьшении межэлектродного зазора с/ требует более высоких значений средней напряженности электростатического поля, что указывает на снижение коэффициента усиления поля в эмиссионных центрах на вершинах наноострий. При фиксированной средней напряженности электростатического поля в микродиоде с увеличением зазора наблюдается рост автоэмиссионного тока пучка и соответственно средней плотности тока по площади основания катодной матрицы. Как следует из рис. 36, в экспериментальных диодах с зазорами £¿>2,51Н (/,,-

период решетки) соблюдается соотношение геометрического подобия (£ср=сошО- Оценка эффективной площади эмиссии проводится по экспериментальным данным ВАХ микродиодов. Воспользуемся формулой Фау-лера-Нордгейма для оценки эффективной площади эмиссии по экспериментальным данным в виде

/,,,'ОЦ^ с)

где А=1,46-104 и 5=6,83-107 - постоянные величины, связанные с фундаментальными физическими константами; /-автоэмиссионный ток в диоде, А; (р -работа выхода электрона, эВ; Е^-и^/с} - напряженность электростатического поля, В/см; к - коэффициент усиления поля; ^(»=1,1; ,900=0,95-1,ОЗу2 -функции Нордгейма, зависящие от аргумента >> = з,79-10"4^£ср/р.

Для определения действующего значения электростатического поля Е0 вблизи вершины конусообразного микровыступа регулярной многоост-рийной структуры в зависимости от телесного угла в^ при различных расстояниях с/ решается задача о распределении электростатического поля.

На рис. 4 представлены расчетные зависимости напряженности электростатического поля Е0 в микродиодах от полярного угла 0И, отсчитанного от вершины конусообразного микровыступа при различных межэлектродных зазорах с/. Из графиков рис. 4 видно, что при малом межэлектродном расстоянии поле на сферической вершине микровыступа спадает с увеличением угла вм быстрее, чем в диодах с увеличенными зазорами. Следовательно, можно утверждать, что площадь эмиссии должна увеличиваться с ростом межэлектродного зазора.

Рис. 4. Зависимость электростатического поля на сферической вершине острия от угла в,, при <1=1 мкм (1), Ф=3 мкм (2), с!=5 мкм (3), ф25 мкм (4), с/=45 мкм (5)

Используя экспериментальные данные рис. 3, можно определить Ео для стартового тока автоэмиссии, составляющего 10 мкА, а затем расчет-

ным путем найти значение эффективного телесного угла ви (рис. 4), при котором на поверхности микроострия имеет место та же величина стартовой напряженности Е0, но уже при токе, равном 30 мА. Определив значение угла Of,, можно вычислить эффективную площадь эмиссии, приходящуюся на одно микроострие. Так, для микродиода с расстоянием d= 3 мкм ^эфф=5,82-10"9см2 (0^=51°, ^=0,2 мкм). При увеличении расстояния до 25 мкм (ви=62°) эффективная площадь составила 7,69-10"9 см2. Дальнейшее увеличение межэлектродного расстояния предполагает соблюдение подобия в распределении электростатического поля как в плоском макродиоде и 5"Эфф не зависит от величины зазора. Для определения суммарной эффективной площади для двухуровневой модели катода, где на уровне наноост-рий угол вп имеет постоянное значение в рамках модели микродиода, воспользуемся очевидным соотношением (2):

= 4*ЪлГЛХг.1(1 - cos0J(l - cos0„) (2)

где Sc - площадь катодной матрицы, см2;

Nf¡, N„-плотности упаковок на микро- и наноуровнях, см"2; ff,, г„-радиусы закругления сферических микро- и нановершин; 6>л-угол вершины наноострия, ff„=60°.

При анализе геометрических параметров реальных автоэмиссионных структур по экспериментальным данным при фиксированном значении автоэмиссионного тока 7=30 мА для АЭК с площадью 5с=7-10"2 см2, были определены усредненные экспериментальные и расчетные значения S^J, представленные в табл. 1.

Таблица 1

d, мкм £V104 В/см к, £W07, В/см ^ сумм эфф ' см2 экспер. г» сумм " эфф ■ см2 расчет. j, А/см2 экспер. у, А/см2 расчет.

3 86 79,5 6,84 51 2,74-10'' 3,79-10"' 1,09-105 7,91-104

5 65 105 6,82 56 2,810' 3,9-10' 1,07105 7,7-10"

25 21 290 6,1 62 11,2-10"' 4,12-10"7 2,7-104 7,29-104

45 18 338 6,08 63 11,4-10"' 4,31-10"' 2,63-104 6,96-10"

Таким образом, в результате проведенного анализа показано, что в автоэмиссионных микродиодах на основе многоострийных монолитных стеклоуглеродных катодов при увеличении с/ вместе с ростом автоэмиссионного тока происходит увеличение 5Эфф. Этот результат имеет важное практическое значение, так как при увеличении 5Эфф имеет место заметное снижение максимальной плотности тока, отбираемого в наноэмиссионных

центрах, что создает возможность долговременной работы таких холодных катодов.

При исследовании температурной зависимости автоэлектронной эмиссии испытывались микродиоды с межэлектродными расстояниями 10, 20 и 30 мкм. Как видно из рис. 5, с ростом температуры МАЭК до 500°С происходило существенное смещение ВАХ влево по оси абсцисс, при этом величина средней напряжённости Еср электрического поля для тока 7=200 мкА уменьшалась с 36,6 В/мкм до 11,6 В/мкм для оN30 мкм. При постепенном охлаждении микродиодов до 20°С происходило восстановление первоначальных ВАХ.

Рис.5 ВАХ микродиодов *- Т=20°С; Ж-Т=500°С 1-4= 10 мкм, 2- (¡=20 мкм,

3- ¿/=30 мкм

Для объяснения подобного поведения ВАХ автоэмиссионных диодов в зависимости от температуры представим их в координатах Фаулера-Нордгейма 1£1/Е% )=/(!/Еср) (рис. 6).

Как видно из рис. 6, увеличение температуры МАЭК микродиодов в наноэмиссионных центрах на вершинах микроострий при постоянной величине зазора приводит к уменьшению tga - угла наклона прямых Фауле-ра-Нордгейма относительно оси абсцисс.

Предполагается, что при увеличении температуры МАЭК коэффициент усиления электростатического поля к сохраняет свое постоянство вследствие изотропности свойств углеродного материала и сохранении геометрического подобия размеров микро- наноострий при нагреве МАЭК до Т=500°С. Тогда можно считать, что главной причиной непараллельности прямых Фаулера-Нордгейма при изменении температуры является изменение работы выхода материала катода, ибо в противном случае прямые ВАХ диодов должны быть параллельны друг другу.

-13.5 ■14 -14.5 -15

V-15-5

-16 -16.5 -17

0.5 1

МБ , см/В

Рис.6. ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма * - Т=20°С; А-Т=500°С {]- с/ — 10 мкм, 2- с1= 20 мкм, 3- <#=30 мкм), {уровень значимости ¿/=0.05)

Проведем оценку величины работы выхода стеклоуглерода СУ-2000 (о при различных температурных режимах для фиксированного значения межэлектродного расстояния в микрозазорном автоэмиссионном диоде. Для этого воспользуемся соотношением Фаулера-Нордгейма. Соотношение Фаулера-Нордгейма в логарифмических координатах с учетом функций /(у) и 3(у) имеет вид

.„ 1 1а ^ * 18еВ<"

= 18 ^'ФФ —"Б--Г

Ес.2 Еср к

-9(у)

((3)

С учетом приближенного значения для функции 3(у)^0,95-1,03у в формуле (3) работу выхода можно определить по (4), где tga - тангенс угла наклона прямой Фаулера-Нордгейма к оси 1/£ср:

4> = ф,549-Ю"8 к^а)1 ((4)

Однако оценка работы выхода таким способом всегда связана с точностью определения действующего значения электростатического поля Е0 на эмитирующей поверхности, а для этого необходимо знание коэффициента усиления электростатического поля к на вершинах эмиссионных центров. Определим к численным методом, решая задачу о распределении электростатического поля в плоском микрозазорном диоде с периодической многоострийной катодной структурой. С помощью компьютерной программы была построена модель регулярной автоэмиссионной многоострийной структуры с гладкой сферической формой вершин и численно определены значения напряженности электростатического поля вблизи

вершин оетрий при различных расстояниях катод-анод. Условие периодичности при численном анализе в данном случае обеспечивается граничным условием ди/дп = 0, где и - электростатический потенциал, являющийся решением уравнения Лапласа Д£/ = 0, а производная берется по нормали к границе области.

Значения расчетных коэффициентов усиления к и экспериментальные величины tga при различных температурах представлены в табл. 2.

Таблица 2

тх 20 200 300 500

при <#= 10 мкм, £=160 1,2803 1,1131 0,7949 0,5444

1?а -10" при <#=20 мкм, к= 245 0,8947 0,6894 0,5357 0,3864

Ю" при <#=30 мкм, ¿=270 0,8297 0,7158 0,4781 0,3669

На основе данных табл. 2 по формуле (4) определена зависимость ф от температуры Т, представленная на рис. 7. При этом необходимо отметить, что отличие значений работы выхода при заданной температуре МАЭК при использовании микродиодов с различными межэлектродными расстояниями составило ±5%.

Рис.7. Зависимость работы выхода <р стеклоуглерода СУ-2000 от температуры (*- «?=30 мкм, Д- с/=20 мкм, О- (¡= 10 мкм)

Полученное значение работы выхода для стеклоуглерода СУ-2000 при комнатной температуре, составившее 3,97 эВ, отличается от известных табличных значений работы выхода (4,5+4,7 эВ) для различных других уг-леграфитовых материалов, приведенных в различной справочной литературе.

В четвертой главе проведено ЗБ компьютерное моделирование электронных пушек с МАЭК различных типов, а именно многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным многоострийным АЭК, многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки. Расчет электронных пушек проводился с помощью программы Ьоге^г-ЗЕМ У8.0, позволяющей рассчитывать трехмерные электростатические и магнитные поля, а также рассчитывать траектории движения заряженных частиц и форму огибающих электронных потоков.

Уравнения движения представлены в следующем виде:

(II2 \ 'л 'л/

<Л I ' Л 'Л)

л2 I г л л) где ц= 1,759-1011 Кл/кг; Ех, Еу, Е2, Вх, Ву, В2 - соответственно компоненты электрического и магнитного поля.

В качестве примера представлены результаты моделирования электронной пушки (ЭП) магнетронно-инжекторного типа с учетом экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных структур. Для образования автоэмиссионной структуры на конической поверхности АЭК в этом случае наряду с другими может быть применена СУБ-технология получения нанотрубных углеродных АЭК.

В табл. 3 представлены исходные геометрические данные и электрические режимы ЭП с АЭК. ЭП и труба дрейфа погружены в однородное магнитное поле с индукцией .5=1,5 Тл.

Таблица 3

/, А U, кВ см2 N, CM¿ Пир, ШТ. i„p, мкА В, Тл

1,2 30 11,3-10"2 4108 4,5-107 3-10"2 1,5

RCt мм малый радиус катода Reí, мм большой радиус катода Ка мм малый радиус анодного отверстия Ral, ММ большой радиус анодного отверстия 1, мм высота конического катода Е, В/см j, А/см2

2,2 2,6 3,2 3,6 1,5 <з-ю5 10,6

Рис. 8 Компьютерное изображение электронного потока

3

(1- конический автоэмиссионный катод, 2- анод, 3- изолятор)

На рис. 8 представлены конфигурация трубчатого электронного потока в однородном магнитном поле, сформированного магнетронно-инжекторной пушкой и сечение электронного пучка в плоскости ХУ на расстоянии 5 мм от катода. На основе результатов компьютерного моделирования разработана конструкция ЭП, представленная на рис. 9.

Результаты моделирования показывают, что формируется трубчатый электронный поток с микропервеансом 0,23 мкА/В3/2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по созданию современной технологии изготовления матричных многоострийных автоэмиссионных катодов с высокой плотностью тока, выращенных из монолитных углеродных материалов, и разработке конструкций электронных пушек на их основе, обеспечивающих создание эффективных приборов вакуумной сверхвысокочастотиой электроники с микросекундным временем готовности.

1. Усовершенствована технология микроразмерной обработки монолитных стеклоуглеродных пластин с образованием многоострийной матричной автоэмиссионной структуры с наноразмерным рельефом на вершинах микроострий. Разработан процесс группового объемного микро-, нанозаострения углеродного материала в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной среде. Получены матричные много-острийные углеродные структуры с плотностью упаковки Л^=(10б-^107)см'2.

2. Проведен анализ и показано, что в автоэмиссионных микродиодах на основе многоострийных монолитных стеклоуглеродных катодов наблюдается существенный рост величины автоэмиссионного тока при увеличении межэлектродпого зазора и сохранении при этом неизменной величины средней напряженности электростатического поля.

3. В микродиодах при величинах микрозазора с/<2,5/р не выполняется закон подобия для напряжения и тока и возникают трудности с расчетом ВАХ таких микровакуумных диодов. При распределение электростатического поля на многоострийной поверхности микро-, на-норельефа МАЭК слабо зависит от с/ и полностью определяется микро-, нанорельефом поверхности катода.

4. Предложена экспериментально-расчетная методика количественной оценки работы выхода, применимая и для других автоэмиссионных материалов, в том числе для тугоплавких металлов и сплавов. Используя экспериментальные прямые Фаулера-Нордгейма, показано, что при повышении температуры автоэмиссионной многоострийной катодной структуры из стеклоуглерода СУ-2000 до 500°С имеет место уменьшение работы выхода материала МАЭК.

5. В соответствии с геометрическими параметрами и экспериментальными ВАХ по экспериментально-расчетной методике определена величина работы выхода для индивидуальной углеродной нанотрубки, которая составила 4,89±0,1 эВ.

6. Проведено ЗБ компьютерное моделирование электронных пушек: многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным много-острийным АЭК, многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки с учетом экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных структур. Разработаны конструкции катодно-сеточных узлов и электронных пушек с автоэмиссионными катодами с плотность тока более 10 А/см2.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Бурцев A.A. Исследование вакуумных автоэмиссионных катодов с углеродными микро-, наноструктурами / Ю.А. Григорьев, A.A. Бурцев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №3(2). С. 100-105.

2. Бурцев A.A. Экспериментально-расчетная оценка работы выхода электронов из материалов автоэмиссионных катодов при анализе их качества / Ю.А. Григорьев, A.A. Бурцев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. №3(40). С. 119-124.

3. Бурцев A.A. Плазмохимическое микрозаострение как способ получения матричной микроразмерной углеродной структуры для эффективных автоэмиссионных источников электронов / A.A. Бурцев, Ю.А. Григорьев, JI.C. Плешкова, П.Д. Шалаев // Нанотехника. 2009. № 3. С. 47-49.

4. Бурцев A.A. Исследование вакуумных автоэмиссионных микродиодов с изменяющимся зазором / Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, A.A. Бурцев, В.Г. Пименов, Г.А. Рехен // Нано- и микросистемная техника. 2008. №7(96). С. 47-52.

В других изданиях

5. Бурцев A.A. Многолучевые электронные пушки с сеточным управлением на основе углеродных наноострийных матричных катодов с полевой эмиссией для перспективных СВЧ ЭВП / М.П. Апин, H.A. Бушу-ев, Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, A.A. Бурцев, В.Г. Пименов // Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы научно-технической конференции. Саратов, 2007. С.82-90.

6. Бурцев A.A. Экспериментальное исследование матричных мно-гоострийных полевых катодов, полученных из монолитного стеклоуглеро-да микрогравировкой и фрезерованием лазерным лучом / Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев, В.Г. Пименов, A.A. Бурцев, A.B. Конюшин, Т.Н. Соколова // Электронные приборы и устройства СВЧ: материалы научно-технической конференции. Саратов, 2007. С.90-98.

7. Бурцев A.A. Фрактальные углеродные наноструктуры: технология получения и автоэмиссионные свойства / Ю.А. Григорьев, А.А Бурцев, П.Д. Шалаев // Наноструктуры, модели, анализ и управление: аннотации лекций школы-семинара. М.: МИЭМ, 2008. С. 12.

8. Бурцев A.A. Исследование температурной зависимости автоэлектронной эмиссии вакуумных автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода / Ю.А. Григорьев, A.A. Бурцев, П.Д. Шалаев, Г.А. Рехен, В.Г. Пименов //

Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008: материалы научно-технической конференции. Саратов: СГТУ, 2008. С.100-106.

9. Бурцев A.A. Плазмохимическое микрозаострение как способ получения матричной микроразмерной углеродной структуры для эффективных автоэмиссионных источников электронов / A.A. Бурцев, Ю.А. Григорьев, П.Д. Шалаев И Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы научно-технической конференции. Саратов, 2009. С.181-183.

10. Бурцев A.A. Нерегулярная матричная структура для многоост-рийных автоэмиссионных катодов / A.A. Бурцев, В.В. Пензяков, Г.В. Ко-нюшков П Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Саратов: СГТУ, 2009. С. 209-211.

11. Бурцев A.A. 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных электронных пушек / A.A. Бурцев, Ю.А. Григорьев, В.Г. Пименов, П.Д. Шалаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы научно-технической конференции. Саратов: СГТУ, 2010. С.151-153.

Подписано в печать 18.01.11 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 6 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Введение 5

1. Обзор современного состояния проблемы изготовления автоэмиссионных источников электронов для вакуумной сверхвысокочастотной электроники

1.1 Технологические особенности создания автоэмиссионных источников электронов. Многослойные пленочные технологии. 12

1.2 Многоострийные автоэмиссионные структуры на основе монолитного углеродного материала 26

1.3 Современные конструкции автоэмиссионных диодных и триодных структур электронных пушек для вакуумных приборов эмиссионной электроники 29-36 Выводы

2 Технология получения автоэмиссионных углеродных многоострийных матриц на основе монолитного стеклоуглерода

2.1 Структура и физико-механические свойства стеклоуглерода 37

2.2 Технологический маршрут изготовления многоострийной матричной монолитной структуры из стеклоуглерода 42

2.3 Оптимизация режимов плазмохимического микрозаострения поверхности микроострийной монолитной структуры стеклоуглерода с различной плотностью упаковки в низкотемпературной кислородной плазме ВЧ разряда 53

2.4 Исследование поверхности микроострийной структуры 58из стеклоуглерода с помощью сканирующей туннельной и растровой электронной микроскопии

2.5 Изготовление конструкции дисковых многоострийных автоэмиссионных катодов 60

Выводы 62 3 Экспериментальные исследования эмиссионных свойств многоострийных автоэмиссионных катодов на основе монолитного углеродного материала

3.1 Методика экспериментальных исследований В АХ катодов с многоострийной матричной структурой из стеклоуглерода 63

3.2 Экспериментальные исследования В АХ вакуумных автоэмиссионных микродиодов с многоострийной структурой из стеклоуглерода при изменении величины межэлектродного зазора 66-70 3.2.1 Экспериментальное исследование дисковых МАЭК, в составе 19-лучевой диодной электронной пушки

3.3 Расчет эффективной площади эмиссии для многоострийной структуры из стеклоуглерода 72

3.4 Экспериментально-расчетная методика оценки величины работы выхода электронов для материала МАЭК 78

3.5 Исследование флуктуаций и долговременной стабильности МАЭК 88

Выводы

4. Расчет и конструирование диодных и триодных структур электронных пушек ЛБВ с МАЭК

4.1 Обоснование выбора формы эмитирующей поверхности автоэмиссионного катода 91

4.2 3 D моделирование автоэмиссионных электронных пушек 94

4.3 Расчет многолучевой электронной пушки на основе монолитного МАЭК в однородном магнитном поле и разработка ее конструкции 98-104 4.3.1 Анализ эмиссионных свойств АЭК с нерегулярной плотностью упаковки микроструктуры 106

4.4 Расчет автоэмиссионных электронных пушек с криволинейной оптикой 108 4.4.1 Расчет электронной пушки со сферическим АЭК 108-110 4.4.2. Расчет автоэмиссионной электронной пушки с компрессией пучка 110

4.5 Расчет магнетронно-инжекторной автоэмиссионной электронной пушки и разработка ее конструкции 111-114 Выводы 114 Заключение 115-116 Список использованных источников 117-126 Приложения

Акт внедрения результатов диссертационной работы

В настоящее время для создания систем формирования мощных электронных потоков в устройствах вакуумной СВЧ электроники наибольший интерес представляет использование катодов на основе автоэлектронной эмиссии из углеродных микро- и наноструктур. Активно ведутся работы по разработке автоэмиссионных катодов (АЭК), конструкций катодно-сеточных узлов (КСУ) и электронных пушек для новейших электровакуумных приборов и устройств, исследуются их эмиссионные свойства. Преимущества применения АЭК в отличие от традиционных термокатодов, очевидны и хорошо известны. К их числу относятся: высокая плотность тока автоэмиссии, отсутствие подогрева, безынерционность, экспоненциально высокая крутизна вольт-амперной характеристики, малая чувствительность к внешней радиации и пр. Благодаря применению электронно-оптической системы с автоэмиссионным источником электронов позволит выходить в рабочий режим прибору за несколько микросекунд и создавать новейшие миниатюрные вакуумные приборы терагерцового диапазона, что невозможно, применяя традиционные катоды.

Основная/ трудность в создании стабильных АЭК состоит в технологических особенностях применяемых материалов и сложностях получения геометрически воспроизводимых многоострийной катодных и катодно-сеточных структур. Работа автоэлектронного катода в электровакуумном приборе сопровождается ионной бомбардировкой его поверхности, воздействием пондемоторных нагрузок, адсорбцией и десорбцией ионов и молекул остаточных газов, поверхностной миграцией атомов и т.п. В зависимости от конкретной конструкции и режима эксплуатации автоэмиссионного катода, перечисленные процессы, по отдельности или в некоторой совокупности, приводят к ряду эффектов, изменяющих режим работы автоэмиссионных катодов. К этим эффектам относятся: распыление материала эмиттера, изменение количества и расположения микровыступов, и изменение работы выхода электронов, разогрев катода и механические напряжения. Поэтому в настоящее время АЭК имеют ограниченное применение - в сверхвысоковакуумных и слаботочных системах, в которых невелико вредное воздействие газовой среды и бомбардировки ионами остаточного газа.

Основные достижения, сделанные в направлении решения проблем автоэмиссии, является совершенствование электровакуумной технологии на основе достижений твердотельной микро- и наноэлектроники и переход к приборам со сверхмалыми размерами, в которых межэлектродные расстояния имеют величину порядка нескольких микрометров, а радиус кривизны эмитирующего острия или лезвия составляет 50-100 нм. Важность исследований автоэлектронной эмиссии различных материалов определена, с одной стороны, необходимостью практической разработки стабильных автоэлектронных катодов как элементов СВЧ приборов и ускорителей, а, с другой стороны, фундаментальными физическими проблемами, связанными с установлением закономерностей автоэлектронной эмиссии таких материалов.

Особое место средшразличных АЭК занимают матричные-многоострийные автоэмиссионные катоды из стеклоуглерода, отличающиеся монолитностью эмиссионной структуры, высокой, стабильностью в режиме автоэмиссии в сильных электрических полях, наряду с пониженной адсорбцией остаточных газов по сравнению с металлами, долговечностью при токоотборе со средней плотностью тока на катоде 10-400 А/см , воспроизводимостью катодных структур. Это обуславливает перспективность их использования в конструкциях электронно-оптических систем ЭВП.

Более сорока лет назад в США были начаты работы по созданию матричных автоэмиссионных катодов, получивших в результате наименование катодов Спиндта. Впоследствии появилось множество публикаций по разработке и конструированию различного типа АЭК и КСУ, построенных на принципах конструкции Спиндта, которые продолжаются и сегодня.

Существенный вклад в развитие физики и технологии автоэмиссионных источников электронов также российские ученые Бондаренко Б.В, Шешин Е.П., Рахимов А.Т., Гуляев Ю.В., Синицын Н.И., Григорьев Ю.А., Торгашов Г.В., Горфинкель Б.И., Фурсей Г.Н. и др.

Появление новых пленочных углеродных наноструктурных материалов открывает пути их использования в качестве автоэмиссионных источников электронов. Тем не менее, использованию монолитных АЭК из стеклоуглерода и других материалов в мощных приборах вакуумной СВЧ настоящее время можно считать актуальной задачей эмиссионной электроники.

В силу недостаточности теоретического, технологического и экспериментального исследования особенностей изготовления и работы АЭК в вакуумных СВЧ приборах была сформулирована цель данной работы.

Цель работы: разработка современной технологии изготовления монолитных стеклоуглеродных матричных многоострийных структур для АЭК, исследование их эмиссионных характеристик и разработка конструкций электронных пушек для эффективных СВЧ приборов с микросекундным временем готовности.

Для достижения поставленной* цели были решены следующие научно-технические задачи:

• проанализированы и выбраны обоснованные технологические операции получения микроразмерных матричных структур из стеклоуглерода с упаковкой 10б-107см"2;

• проведена отработка процесса группового плазмохимического микрозаострения цилиндрических выступов в низкотемпературной кислородной плазме для получения ЗБ поверхности матричной многоострийной автоэмиссионной микроструктуры из стеклоуглеродных конических острий с периодом структуры 10-5 мкм;

• исследованы структурные и эмиссионные свойства матричного автоэмиссионного катода из стеклоуглерода;

• разработаны конструкции экспериментальных диодных макетов АЭК и исследовано влияние межэлектродного зазора на его вольтамперные характеристики;

• разработана экспериментально-расчетная методика оценки величины работы выхода углеродных материалов, применяемых для АЭК;

• проведено компьютерное моделирование формирования электронных потоков в электронных пушках с матричными АЭК;

• разработаны конструкции экспериментальных образцов АЭК для электровакуумных приборов сверхвысокочастотной электроники с микросекундным временем готовности.

Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы современные методы экспериментального анализа с применением принципов вакуумной микроэлектроники, электронной оптики, а также современные средства компьютерного моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, а также апробацией; результатов работы на опытных образцах АЭК и их соответствием фундаментальным законам автоэмиссии. Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложена и реализована технология группового микро-, наноразмерного заострения путем воздействия низкотемпературной плазмой ВЧ разряда (/=13,56 МГц) в кислородной среде на монолитную углеродную структуру из многоэлементной системы цилиндрических микроразмерных выступов с плотностью упаковки Л^ЮМО7) см"2 при температуре нагрева 50-60°С и давлении 66-70 Па, обеспечивающая формирование многоострийной матричной углеродной структуры с наноразмерным рельефом вершин.

2. Автоэлектронная эмиссия многоострийных стеклоуглеродных матриц в микродиодах сопровождается ростом автоэмиссионного тока на 3-4 порядка при увеличении межэлектродного зазора и при сохранении постоянной средней напряженности электростатического поля, что связано с нелинейными изменениями в распределении электростатического поля вблизи поверхности АЭК.

3. Экспериментально установлено, что автоэмиссионный ток в диоде с многоострийным матричным катодом из стеклоуглерода при изменении температуры окружающей среды в интервале от 20°С до 500°С существенно возрастает, что является следствием уменьшения величины работы выхода материала многоострийного матричного автоэмиссионного катода.

4. На основе применения компьютерного траекторного анализа формируемых электронных потоков предложены конструкции автоэмиссионных электронных пушек с анодной модуляцией и с низковольтным сеточным управлением и магнитным сопровождением, позволяющие осуществлять проектирование и разработку вакуумных приборов СВЧ на основе АЭК с микросекундным временем готовности ( 1<10"5 с).

Научная новизна работы:

• впервые предложен усовершенствованный технологический маршрут получения- многоострийных автоэмиссионных микро- наноструктурных матричных катодов из монолитных углеродных материалов? на примере стеклоуглерода СУ-2000, включающий'термохимическую микроразмерную ЗО обработку поверхности углеродных пластин в среде водорода, плазмохимическое групповое микро-, нанозаострение эмиссионных центров в сочетании с технологией прецизионной фотолитографии с возможностью

Г о ъ реализации плотности упаковки острий 10 -10 ) см" ;

• получены матричные многоострийные автоэмиссионные катоды из монолитного стеклоуглерода СУ-2000 с плотностью упаковки Ы-(106-4-10б)см"2, с наноразмерным рельефом на вершинах острий, обеспечивающие получение плотности тока АЭК более 1 А/см";

• теоретически и экспериментально показано, что при увеличении межэлектродного зазора в диоде до значений ¿/=2,5 /ц (7^-период микроструктуры) наблюдается значительный рост автоэмиссионного тока при постоянной средней напряженности электрического поля; при этом имеет место увеличение эффективной площади эмиссии и соответственно уменьшается плотность тока в эмиссионных центрах, что указывает на возможность долговременной работы АЭК;

• предложена и реализована экспериментально-расчетная методика оценки величины работы выхода материалов АЭК, в том числе для наноструктурированных углеродных материалов; по данной методике проведена оценка величины работы выхода материала одностенной углеродной нанотрубки с учетом ее геометрии и экспериментальным ВАХ, которая составила 4,89±0,1 эВ;

• проведено 3D компьютерное моделирование автоэмиссионных электронных пушек, формирующих многолучевые электронные пучки в неоднородных магнитных полях и предложены новые конструкции: многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным многоострийным АЭК, многолучевой^ электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной- углеродной наноструктурой, и магнетронно-инжекторной - пушки.

Практическая значимость.

Результаты работы могут быть использованы при разработке современных и перспективных СВЧ электровакуумных приборов. Технология изготовления матричных многоострийных АЭК прошла апробацию на ФГУП «НЛП «Алмаз», конструкции электронных пушек на основе АЭК могут быть использованы в электронно-оптических системах в качестве базовых конструкций в ЛЕВ сантиметрового диапазона и многолучевых клистронах. Полученные экспериментальные результаты и методики, а также численные модели позволят разработать ЭВП СВЧ с микросекундным временем готовности.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров-специалистов на кафедрах "Электронное машиностроение и сварка" и "Электронные приборы и устройства" СГТУ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции, посвященной 50-летию ФГУП «Н1111 «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 2007); научно-практической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП» (Саратов, 2008, 2010); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), а также на школе-семинаре "Наноструктуры, модели, анализ и управление" МИЭМ (Москва, 2008).

Публикации. По теме диссертации .опубликовано 11 работ (4 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ- 7 статей в научных сборниках).

Личный вклад автора заключается, в, постановке цели и задач исследований;, проведении численных расчетов, необходимых: для интерпретации полученных экспериментальных,, данных. Автор является исполнителем представленных экспериментальных исследований; Обсуждение полученных теоретических и экспериментальных результатов проводилось, совместно с соавторами научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 113 наименований и приложения. Диссертация изложена на 126 листах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.

Выводы

Проведено ЗБ компьютерное моделирование электронных пушек, формирующих протяженные электронные потоки для СВЧ приборов нескольких типов с учетом экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных структур. Показано, что в отсутствии приемлемой по точности инженерной методики расчета автоэмиссионных характеристик микро- наноострийных катодных структур остается единственный^ экспериментально-расчетный путь проектирования новых электровакуумных СВЧ приборов. Исходные геометрические данные и экспериментальные сведения об автоэмиссионном токе, распределении электронов по скоростям сегодня можно достоверно получить только с помощью экспериментов и высокоточных измерений.

Разработаны новые конструкции многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным многоострийным АЭК, многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки с плотностью тока более 10 А/см2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая^ задача по созданию современной технологии изготовления матричных многоострийных автоэмиссионных катодов с высокой плотностью тока, выращенных из монолитных углеродных материалов и разработке конструкций электронных пушек на их основе, обеспечивающих создание эффективных приборов вакуумной сверхвысокочастотной электроники с микросекундным временем готовности.

1. Усовершенствована технология микроразмерной обработки монолитных стеклоуглеродных пластин с образованием многоострийной матричной автоэмиссионной' структуры с наноразмерным рельефом на вершинах микроострий. Разработан процесс группового объемного микро-нанозаострения. углеродного материала в низкотемпературной плазме ВЧ разряда в кислородной среде. Получены матричные многоострийные углеродные структуры с плотностью упаковки ]У=(10б-Н07)см"2.

2. Проведеш анализ- и- показано, что в автоэмиссионных микродиодах на основе многоострийных монолитных стеклоуглеродных катодов наблюдается 4 существенный^ рост величины • автоэмиссионного тока при-' увеличении* межэлектродного зазора и сохранении при-этом: неизменной величины средней1 напряженности электростатического поля.

3. В микродиодах при величинах микрозазора ¿/<2',5/ц не выполняется закон подобия для напряжения и тока и возникают трудности с расчетом ВАХ таких микровакуумных диодов. При, ¿£>2,5распределение электростатического поляна многоострийной поверхности микро- нанорельефа МАЭК слабо зависит от ¿/ и полностью определяется микро - нанорельефом поверхности катода.

4. Предложена экспериментально-расчетная' методика количественной оценки работы выхода, применимая и для других автоэмиссионных материалов, в том числе- для тугоплавких металлов- и сплавов. Используя экспериментальные прямые Фаулера-Нордгейма, показано, что при повышении температуры автоэмиссионной многоострийной катодной структуры из стеклоуглерода СУ-2000 до 500°С имеет место уменьшение работы выхода материала МАЭК.

5. В соответствии с геометрическими параметрами и экспериментальными ВАХ по экспериментально-расчетной методике определена величина работы выхода для индивидуальной углеродной нанотрубки, которая составила 4,89±0,1 эВ.

6. Проведено ЗБ компьютерное моделирование электронных пушек: многолучевой электронной пушки с монолитным, углеродным многоострийным АЭК, многолучевой электронной пушки с криволинейной оптикой со сферическим АЭК с пленочной углеродной наноструктурой и магнетронно-инжекторной пушки с учетом экспериментальных данных о геометрии и эмиссионных параметрах используемых или проектируемых для них автоэмиссионных катодных структур. Разработаны конструкции катодно-сеточных узлов и электронных пушек с автоэмиссионными катодами с плотность тока более 10 А/см .

1. Carbon nanotubes: science and applications / edited by M. Meyyappan /CRC PRESS Boca Raton London New York Washington, D.C. 2005 279 p.

2. Fursey, G. Field emission in vacuum microelectronics Kluwer Academic / Plenum Publishers 2003, 205 p

3. Ненакаливаемые катоды. Под ред. М.И. Елинсона. М., "Сов. радио" -336 с.

4. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия М., Наука, 1990 - 320 с.

5. Григорьев Ю.А. Матричные углеродные автоэмиссионные катоды -экспериментальные результаты и перспективы применения в приборах СВЧ// 10-я Зимняя школа-семинар. кн.1(Н), Саратов, 1996. С. 143-156.

6. SpindtG.A. A thin-film field-emission cathode // J. Appl. Phys. 1968. V.39. No.6. P.3504-3505.

7. Spindt G.A., Brodie I., Hemphey L., Westerberg E.R. // J. Appl. Phys. 1976. V.47. No. 12. P.5248-5263.

8. Spindt G.A., Holland G.A., Stowele R.D. // Appl. Surt. Sci. 1983. V.16. No.1-2. P.268-272.

9. Brodie I., Spindt G.A. Vacuum Microelectronics//Advances in Electronics and Electronic Physics.1992, Vol.83. P. 1-106.

10. Green R. F., Gray H.F. P-N junction controlled field emitter array cathode // US Patent №4 513308., Int. С1.Н01Ь29/06Арг.23,1985.

11. Lee R.A. Return of the vacuum valve // Electron and Wireless World, 1989.V.1639.

12. Harvey R.J., Lee R.A., Miller A.J., Wigmore J.K. Aspects of Field Emission from Silicon Diode Arrays // IEEE Trans. Elecrtron. Dev. 1991.V.38, № 10 P.2323-2328

13. Marcus R.B., Ravi T.S., Gmitter T., et al. Atomically Sharp Silicon and Metal Field Emitters // IEEE Trans. Electron. Dev. 1991. V.38 №10 P.2289-2293

14. Kitano M., Shimawaki H., Mimura H., Yokoo K. Emission Characteristics of Si-FEA with Junction FET // 10th International Vacuum Microelectronics Conference.- Kyongju, Korea. 1997.-P.38

15. Kanemaru S., Ozawa K., Hirano T., Itoh J. MOSFET-structured Si Field Emitter Tip // 10th International Vacuum Microelectronics Conference.- Kyongju, Korea. 1997.-P.34-3 7

16. Takemura H., Furutake N, Nisimura M, et al. A Fully-LSI-Process-Compatible Si Field Emitter Technology with High Controllability of Emitter Height and Sharpness // 9th International Vacuum Microelectronics Conference 1996, St. Petersburg. P.363-366.

17. Hug S.E., Huang M., Wilshaw P.R., et al. Fabrication of Gated Polycrystalline Silicon Field Emitters // 9th International Vacuum Microelectronics Conference 1996, St. Petersburg. P.367-369.

18. Lee H.J., Kang W.S., Yu G.B., et al. Emission characteristics of Silicon Field Emitter Arrays Fabricated by Spin-On-Glass Etch-back Process // 9th International Vacuum Microelectronics Conference 1996, St. Petersburg. P.380-383.

19. Chen X., Lu H., Bian H., et. al. Electron emission of silicon field emitter arrays coated with N-doped SrTi03 // Journal of Electroceramics 2006 V.16 №4 P.419-423.

20. C. Spindt, C. E. Holland, and P. R. Schwoebel A Reliable Improved Spindt Cathode Design for High Currents, IVEC 2010, pp.201-202.

21. Robertson J. Mechanism of electron field emission from diamond, diamond-like carbon, and nanostructured carbon // J. Vac. Sci. Technol. B17(2). -1999. P.659-665.

22. Ji H., Jin Z. S., at all. Field Emission characteristics of diamond films with different surface morphologies // Techn. Digest JVMC, USA. 1998. - P.248-249.

23. Wachter R., Cordery A., Proffitt S., Foord J. S. Influence of film deposition parameters on the field emission properties of diamond-like carbon films // Diamond and related materials. 1998.- V.7.- P.687-691.

24. Akkerman Z.L., Efstathiadis H., Smith F.W. Thermal stability of diamond-like carbon films // J. Appl. Phys. 1996. -V.80. -№5-P.3068-3075

25. Hoffman V., Weber A., Lohken T. Electron field emission of amorphous carbon films // Diamond and related materials. 1998.- V.7.-P.682-686.

26. Ding M.Q., Gruen D.M., Krass A.R., at all. Studies of field emission from bias-grown diamond thin films // J. Vac. Sci., Technol. 1999. - V.B17. - №2. -P.705-709.

27. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов —М.: МФТИ, 2001. 287с.

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

29. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E. // Nature, 1985, V. 318, P. 162.

30. Iijima S. // Nature, 1991, V. 354, N. 6348, P. 56.

31. Iijima S., Ichihashi T. // Nature, 1993, V. 363, P. 603.

32. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C. San Diego CA, // Science ofFullerenes and Carbon Nanotubes,. Academic Press, 1996.

33. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaya Z.Ja et. al. // Tech. Digest 7th IVM Conf., Grenoble, France, July 4-7, 1994, Review "Le Vide, les Couches Misces" Supplement au N271 - Mars-Avril, (1994), P. 322.

34. Rinzler A.G., Hafner J.H., Nikolaev P., et al. // Science, 1995, V. 269, P.1550.37 de Heer W.A., Chatelain A., Ugarte D. // Science, 1995, V. 270, P.1179.

35. Collins P.G., Zettl A. // Phys. Rev. B, 1997, V. 55, N. 15, P. 9391.39 de Heer W.A., Bonard J.-M., Fauth K. et al H Adv. Mater., 1997, V. 9, N. 1,P. 87.

36. Kanemaru S., Itoh J. Fabrication and characterization of lateral field-emitter triodes // IEEE Trans, on ED. 1991, Vol. ED-38, N 10. P.2334-2336.

37. Saito Y., Uemura S. // Carbon, 2000, V. 30, P. 169.

38. Fan S., Chapline M.G., Franklin N.R. et al. // Science, 1999, V. 283, P.512.

39. Bai X.D. et al. // Appl. Phys. Lett., 2000, V. 76, P. 2624.

40. Bonard J.-M., Salvetat J.-P., Stockli T. et al. // Appl. Phys. A, 1999, V. 69, P. 245.

41. Fransen M.J., Damen E.P.N., Schiller C. et al. // Appl. Surf. Sei., 1996, V. 94/95, P. 107.46 de Heer W.A., Chatelain A., Ugarte D. // Science, 1995, V. 270, P.1179.

42. Lee Y.H., Kim S.G., Tomanek D. // Chem. Phys. Lett., 1997, V. 265, P.667.

43. Zhou O., Gao B., Bower C. et al. // Mol. Crys. and Liq. Crys., 2000, V. . 340, P. 541.

44. Zhu W., Bower C., Zhou O., et al. I I Appl. Phys. Lett., 1999, V. 75. N. 6, P. 873.

45. Nilsson L., Groening O., Emmenegger O. et al. // Appl. Phys. Lett., 2000, V. 76, N. 15, P. 2071.

46. Adessi Ch., Devel M. // Phys. Rev. B, 2000, V. 62, P. R13314.

47. Hamada N., Sawada S.-I., Oshyama A., Phys. Rev. Lett., 1992, V. 68, P.1579.

48. Saito Y., Uemura S., Carbon, 2000, V. 30, P. 169.

49. Wildoer J.W.G., Venema L.C., Rinzler A.G. et al. // Nature, 1998, V. 391, N. 6662, P. 59.

50. Odom T.W., Huang J.-L., Kim Ph., Lieber Ch.M. // Nature, 1998, V. 391, N. 6662, P. 62.

51. Treacy M.M.J., Ebbesen T.W., Gibson J.M. // Nature (London), 1996, V. 381, P. 678.

52. Falvo M.R., Clary G.J., Taylor R.M. et al. // Nature, 1997, V. 389, N. 6651, P. 582.

53. Wong E.W., Sheehan P.E., Lieber Ch.M. // Science, 1997, V. 277, P.1971.

54. Salvetat J.-P., Briggs G.A.D., Bonard J.-M. et al. // Phys. Rev. Lett., 1999, V. 82, N. 5, P. 944.

55. Yu M.-F., Lourie O., Dyer M.J. et al. //Science, 2000, V. 287, P. 637.

56. Ryabushkin S.L., Elmanov V.I., Sinitsyn N.I. et al. // Tech. Digest of 12-th International Vacuum Microelectronics Conf., Germany, 1999, P. 252

57. L. Lou et al. // Phys. Rev. B, 1995, V. 52, N. 3, P. 1429.

58. Abanshin N., Muchina E., Nikishin N. et al. // Proceedings of 4th of International Vacuum Electron Source Conf. 2002, Saratov, Russia, Suppl. 13.

59. Musatov A.L., Kiselev N.A., Zakharov D.N., et al.// Applied Surface Science, 2001, V. 183, N. 1-2, P. 111.

60. Kenneth В. К. Тео, Eric Minoux, Ludovic Hudanski и др. Microwave devices: Carbon nanotubes as cold cathodes //Nature, 2005, V. 437, P. 968

61. M.E. Read, W.G. Schwartz, M.J. Kremer и др. Carbon nanotube-based cathodes for microwave tubes// Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, 1026

62. Яфаров P.K. Получение наноалмазных композиционных материалов в плазме микроволнового газового разряда низкого давления // ЖТФ. 2006. Т. 76. Вып.1. С.42- 48.

63. Рахимов А.Т. Автоэмиссионные катоды на нанокристаллических углеродных и наноалмазных пленках // УФН. 2000 С.996-999.

64. Б.В. Бондаренко, В.Н. Ильин, К.В. Кузьмин и др. Эмиссионные характеристики автокатодов из пластин пирографита . Электронная техника. Серия Электроника СВЧ. Вып. 1(405) 1988, С.30-39.

65. Y.A. Grigoriev, A.I. Petrosyan, V.V. Penzyakov, et. al.//Technical digest of IVMC-96, St-Petersburg pp. 522-525.

66. Григорьев Ю.А., Васильковский.С.В., Шестеркин В.И., Ярцева З.А. А. с. 1738013. Заявл: 09.04.90г. Опубликовано 12.02.93г.

67. Э.А. Ильичев, В.Н. Никитин, Д.М. Мигунов и др. Каталитический рост наноструктур из углеродосодержащих подложек: свойства и модельные представления // Письма в ЖТФ. 2010. том 36. вып.4.

68. Сильноточный катод на основе нанотрубок (США, Северная Каролина) // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. 32. P.2152.

69. P. Legagneux, N. Le Sech, P. Guiset Carbon nanotube based cathodes for microwave amplifiers Proceedings of IVEC 2009, pp.80-81, 2009

70. Новости СВЧ-техники. 2007, №4, C.7-13.

71. С. Вартапетов, Э Ильичев, Р. Набиев и др. Эмиссионная электроника на основе нано- (микро-) структурированных углеродных материалов'//Наноиндустрия 5/2009. С. 12-18.

72. David R. Waley etc. 100 W Operation of a Cold Cathode TWT I I IEEE Transactions of Electrom Devices. Vol.56. No.5.2009.

73. A. Di Carlo, C. Paoloni, F. Brunetti, M.L. Terranova The European Project OPTHER for the development of a THz tube amplifier Proceedings of IVEC 2009, pp.100-101, 2009.

74. G. Ulisse, F. Brunetti, A. Carlo Electron Gun with Cold Cathode for THz Devices, IVEC 2010, pp.449-450.

75. Mering J., Maire J. // J. chim. phys. et de phys. Chim. boil. - 1960 V.57-№10 P.803-814.

76. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Нагорный В.Г., Котосонов A.C., Островский B.C. и др. Справочник. Под ред. В.П. Соседова, М- Металлургия, 1975. 336 с.

77. Э.Н. Мармер Углеграфитовые материалы. Справочник. М.-Металлургия, 1973. 135с.

78. Федоров В.Б., Шоршоров М.Х., Хакимова Д.К. Углерод и его взаимодействие с металлами. М.: Металлургия, 1978. 208 с.

79. Lersmacher R., Zudin Н., Kninneberg W. // Chem. Indust. Technik. -1970-V.42-P.659

80. Fitzer E.; Kegel B. // Carbon 1968-V.6-№4-P.433-446

81. Графитация и алмазообразование / Костиков В.И., Шипков H.H., Калашников Я.А. и др. -М. Металлургия, 1991 -224 с.

82. Григорьева A.C., Ботвин В.В., Шамаев П.П. О термохимическиъх методах обработки алмазов с новых позиций // Наука и техника в Якутии № 1, 2002 С. 3-5.

83. Григорьев Ю.А., Бурцев А.А, Шалаев П.Д.Фрактальные углеродные наноструктуры: технология получения и автоэмиссионные свойства//Аннотации лекций школы-семинара "Наноструктуры, модели, анализ и управление" МИЭМ. М. 2008 С. 12.

84. Brodie I., Spindt G.A. Vacuum Microelectronics//Advances in El. and El. Physics. 1992, Vol.83. P.l-106.

85. Григорьев Ю.А., Бурцев A.A, Шалаев П.Д, Пименов В.Г. Исследование автоэмиссионных микродиодов с изменяющимся зазором// Нано-микросистемная техника. 2008. №7. С.47-52.

86. A.A. Бурцев, Ю.А. Григорьев, JI.C. Плешкова, П.Д. Шалаев Плазмохимическое микрозаострение как способ получения матричной микроразмерной углеродной структуры для эффективных автоэмиссионных источников электронов. Нанотехника № 3, 2009. С. 47-49

87. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур // М., Радио и связь, 1983. 126 с.

88. Волков A.B., Казанский H.JL, Колпаков В.А. Расчет, скорости плазмохимического травления- кварца// Компьютерная оптика Вып.21. 2001 С.121-126.

89. Гуляев Ю. В., Григорьев Ю. А., Король В. Н., Рехен Г. А. Исследование автоэмиссионных характеристик фрактальных углеродных структур // Прикладная Нелинейная Динамика 2005, №1-2 том 13. С. 88-97.

90. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Метод построения нерегулярных треугольных адаптивных конечно-элементных сеток и его приложения// Матем. моделирование. 1992.Вып.4.С. 109-118.

91. Solntsev V.A., Rodionov A.N. Investigation of electric field at the cathode with fractal structure of the surface // Sol State Electron 2001 № 45 P. 853856.- . . • 125

92. J. D. Zuber, К. L. Jensena, T. E. Sullivan Analytical solution for microtip field emission current and effective emission area Journal of Applied Physics V. 91, N. 11 2002.

93. Фихтенгольц, Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, том 2, 1951, С. 863.

94. Григорьев Ю:А., Шалаев П.Д., Бурцев А.А.Исследование автоэмиссионных микродиодов с изменяющимся зазором .// Нано- и микросистемная техника. 2008. №7.

95. Рожнев А.Г. Современные "полностью электромагнитные" программы решения задач электроники и электродинамики/Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Титов B.H.// Материалы XIII Зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике, Саратов: СГУ, 2006 С.42-44.

96. Физические величины. Справочник. Под ред. И. С. Григорьева, Е.З. Мсйлихова-М. Энергоатомиздат 1991, 1232 с.

97. Asaka К. Nanowelding of a multiwalled carbon nanotube to metal surface and its electron field emission properties/ Asaka K. Nakahara H., Saito Y. // Applied Physics Letters 92, 023114. 2008: P. 023114-1-023114-3.

98. Елецкий A.B. Углеродные нанотрубки;и их эмиссионные свойства. Успехи физических наук. 2002 №4 С.401-438

99. Миролюбов H.H., Костенко М.В., Левинштейн М.Л., Тиходеев H.H. Методы расчета электростатических полей М. «Высшая школа» 1963 416 с.

100. Ali Asi. Boundary Element Method Integrated Engineering Software 2001, SPIE Conference

101. Бреббия К. и др. Методы граничных элементов. М.:Мир, 1987 —524 с.

102. Д. Пирс Теория и расчет электронных пучков . М., 1956.- 216 с.

103. H.A. Бушуев, Ю.А. Григорьев, Н.Д. Гаврюшова и др. Диодная автоэмиссионная электронная пушка. Нанотехника № 3, 2006. С. 3-6.

104. Алямовский И. В. Электронные пучки и электронные пушки. М.-: Сов. радио, 1966. 453 с.

105. Заместитель директора НПЦ «Электронные системы» по научной работе, Заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук1. В.П.Кудряшов1. Зам. начальника отдела,научный руководитель НИР «Эверс»,главный конструктор ОКР «Столб»1. П.Д. Шалаев