Одним из основных свойств автокатодов из углеродных материалов, определяющих возможность их практического использования, является стабильность эмиссии в условиях технического вакуума. Под термином "стабильность" подразумевается отсутствие флуктуаций автоэлектронного тока и необратимых изменений эмиссии, которые могли бы заметно повлиять на сокращение срока службы автоэлектронного катода.
Одна из причин, приводящих к ухудшению эмиссии или даже гибели эмиттера, – вакуумная дуга, возникающая из-за наличия остаточных газов или из-за распыления материала катода при значительном эмиссионном токе. Это явление наблюдается в условиях, при которых электрическое поле становится выше некоторого критического значения. В данном случае в системе может даже возникнуть дуговой или искровой разряд, результатом которого станет необратимое разрушение материала катода .
Другая причина нестабильности в работе АЭК связана с бомбардировкой эмиттера положительными ионами остаточных газов. Электроны, эмитируемые катодом при своем движении к аноду, ионизуют атомы остаточных газов, а также атомы и молекулы различных веществ, выделяющихся из стекла и электродов прибора. Образующиеся при этом положительные ионы, ускоряясь в электрическом поле, движутся к эмиттеру и бомбардируют его, обладая значительной средней энергией, определяемой напряжением между анодом и катодом .
Еще один существенный фактор, влияющий на деградацию АЭК, – это разогрев эмиттера Джоулевым теплом. Учет влияния разогрева током особенно важен при рассмотрении наноразмерных эмиттеров. Поскольку S – площадь контакта эмиттера с подложкой – составляет всего несколько десятков квадратных нанометров, то сопротивление такой системы ~1/S – весьма существенно. При этом в условиях вакуума основной отвод тепла осуществляется через подложку и количество отводимого тепла невелико. Совокупность этих факторов приводит к существенному разогреву отдельных эмиссионных центров . Подобный сильный локальный разогрев (до температур порядка 2000 К) наблюдался при автоэлектронной эмиссии из нанотрубок. При таких температурах происходит уже не автоэлектронная, а термоавтоэлектронная эмиссия . УНТ в этих условиях может быстро разрушаться (испаряться), что приводит к исчезновению данного эмиссионного центра.
Следует также отметить механическое воздействие поля на свойства автоэмиссионных катодов на основе нанотрубок. Известно, что углеродные нанотрубки в электрическом поле стремятся сориентироваться по полю под действием пондеромоторных сил. В результате переориентации увеличивается коэффициент усиления поля. Однако, помимо этого полезного с практической точки зрения эффекта, также наблюдается и негативный эффект – резкое ослабление механического и электрического контакта нанотрубки с подложкой.
Однако наибольшее влияние на стабильность автоэмиссионного тока оказывает модификация поверхностных свойств катода при адсорбции на нем атомов остаточных газов и их десорбции под действием ионной бомбардировки. Можно отметить, что лишь адсорбция кислорода и паров воды оказывает существенное влияние на электронные свойства трубки. При этом молекулы кислорода увеличивают значения потенциала ионизации (работы выхода), а молекулы воды, наоборот, уменьшают.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что, несмотря на внушительное количество экспериментальных данных, в настоящее время вопрос о стабильности эмиссионного тока АЭК из различных наноуглеродных материалов остается открытым. Неясно, в каких условиях и какие именно факторы определяют стабильность работы того или иного катода. Из-за большого количества факторов и их сложного влияния на процесс автоэлектронной эмиссии окончательной модели, описывающей деградацию и флуктуации эмиссионного тока, нет. Изучение стабильности эмиттеров и определение влияющих на нее факторов необходимы для определения оптимальных режимов работы таких катодов.
Основные направления в развитии источников света с автокатодами на основе углеродных материалов – это создание плоских источников света с пленочными катодами, пальчиковых катодолюминесцентных ламп, источников света с аксиальной конструкцией.
Плоские источники света. Основным конструктивным отличием плоских источников света является большая площадь анода (катода) и малое расстояние между катодом и анодом по сравнению с линейными размерами катодной подложки.
При соответствующей технологии производства плоских электровакуумных приборов можно разработать источник света площадью более 500 см2. Такие приборы могут иметь диодную или триодную конструкцию. Триодная конструкция предпочтительнее для создания сверхъярких источников света. В плоских источниках света небольшой яркости (1000–5000 кд/м2) применяется диодная конструкция, что значительно упрощает производство вакуумного прибора. Такие приборы могут быть использованы, например, в подсветке жидкокристаллических экранов .
Автокатоды для плоских приборов можно изготавливать различными методами, например трафаретной печатью или электрофоретическим осаждением. В качестве наносимого материала целесообразно использовать углеродные порошки, полученные при помощи различных технологий. Кроме этого могут быть применены механические способы обработки массивной углеродной заготовки для создания плоского автоэмиссионного катода большой площади.
Был разработан прототип плоского автоэмиссионного диодного источника света , катод которого был изготовлен из наноструктурного углерода на основе ориентированных нанотрубок и наноразмерных углеродных кристаллитов . Представленный образец толщиной 3 мм обладал равномерной яркостью 500 кд/м2 на площади 25×25 мм.
Источники света с аксиальной конструкцией. В аксиальной конструкции может использоваться как пленочный катод, так и катод на основе волокон.
В настоящее время исследуется работоспособность источников света с катодами на нанотрубках . Прототип такого люминесцентного диода уже разработан. В качестве материала для катода использовалась никелевая проволока толщиной 1 мм, покрытая наноструктурным углеродом. Катод располагался соосно 20-мм цилиндрической стеклянной трубке, на половину внутренней поверхности которой напылена алюминиевая пленка (анод), а поверх алюминия нанесен слой люминофора. Яркость диода достигала 100 000 кд/м2 при анодном напряжении 10 кВ и токе 300 мкА. Световой поток такого источника света составил 150–200 лм при световой эффективности 25–30 лм/Вт.
В аксиальном источнике света триодной конструкции соосно расположены цилиндрический анод (в виде стеклянной колбы с нанесенным люминесцентным покрытием), модулятор (управляющий электрод в виде цилиндрической сетки) и продолговатый катод, конструкция и материал которого могут быть любыми.
Пальчиковые катодолюминесцентные лампы .
Пальчиковая катодолюминесцентная лампа по своей конструкции является наиболее ярким источником света. В этой конструкции можно реализовать напряжение между катодом и анодом до 10–15 кВ и ток до 1 мА. Яркость таких ламп может достигать 100 000 кд/м2 и более. Область их применения – элементы видеоэкранов среднего и малого разрешения.
Один из вариантов пальчиковой лампы – катодолюминесцентный триод с автокатодом на основе пучков углеродных волокон. Катод такого прибора состоит из нескольких пучков ПАН углеродных волокон по ~100 волокон в каждом и дает стабильный эмиссионный ток до 1 мА при хорошей равномерности засветки люминесцентного анода.
Еще один вариант – яркая катодолюминесцентная лампа триодной конструкции с автокатодом на основе нанотрубок . Яркость по зеленому цвету для этого источника света составляет 60 000 кд/м2 (при анодном токе 200 мкА).
В более позднем варианте источника света аналогичной конструкции яркость излучения достигает уже 1 000 000 кд/ м2,
а световой поток составляет 1000 лм. Такая яркость была получена при постоянном токоотборе на уровне 400 мкА и ускоряющем напряжении 30 кВ. При таких ускоряющих напряжениях и выделяемой мощности источник света оснащают экранировкой от рентгеновского излучения (свинцовое стекло) и системой отвода тепла.
Источники света, разработанные в лаборатории авторов (на кафедре вакуумной электроники МФТИ). Для определения эмиссионных свойств и отработки технологии изготовления катодов было изготовлено более 100 катодолюминесцентных ламп триодной конструкции с катодом из ПАН-волокон . Были исследованы световые и эмиссионные характеристики опытной партии этих источников света на предмет разброса параметров катодов, а также их работа в прототипе модуля видеоэкрана.
Исследование светоэлектрических характеристик ламп проводилось на подготовленном специализированном измерительном стенде, с помощью которого были получены данные о спектре излучения ламп, их яркости и световой эффективности .
Для каждой лампы из тестовой партии были сняты по четыре вольт-амперных характеристики (снималась зависимость автоэмиссионного тока катода IK от напряжения на модуляторе при фиксированном анодном напряжении UA = 7, 8, 9, 10 кВ)
Исходя из полученных экспериментальных данных по вольт-амперным характеристикам каждой катодолюминесцентной лампы , следует отметить несколько моментов.
Во-первых, вольт-амперные характеристики всех светоизлучающих пальчиковых ламп из тестовой партии лежат в области управляющих напряжений UM [IK max = 100 кА] < 1500 В