книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

7.3. А Ж на основе металлоподобных соединений

Исследование автоэмиссионных свойств металлопо­ добных тугоплавких соединений стимулировалось жела­ нием понизить жесткие требования к условиям эксплуа­ тации АЭК из вольфрама. В частности, речь могла идти о снижении требований к вакуумным условиям в прибо­ рах, получении более высоких абсолютных токов эмиссии с одиночных острий и т. д. Некоторые из металлоподоб­ ных тугоплавких соединений — карбидов и боридов пере­ ходных металлов, исследуемые в качестве термоэмитте­ ров, зарекомендовали себя как высокоэмиссионные хими­ чески стойкие, устойчивые к ионной бомбардировке ма­ териалы. Кроме того, эти соединения отличаются боль­ шой механической прочностью и высокой температурой плавления.

Впервые идея использования тугоплавких металлопо­ добных соединений (в частности, гексаборида лантана) в качестве АЭК и первые обнадеживающие эксперимен­ тальные результаты были изложены в работе [58]. Даль­ нейшее развитие эта идея нашла в работах {59—61].

Методика изготовления АЭК на основе боридов и карбидов металлов. Бориды и карбиды, как правило, получают в виде порошков, изделия из которых готовят­ ся методами порошковой металлургии. Эти методы (прессование и спекание изделий) не обеспечивают, од­ нако, степени чистоты образцов, необходимой для изго­ товления автоэмиттеров. Поэтому во всех экспериментах с металлоподобными соединениями предусматриваются дополнительные способы очистки: длительные прогревы в вакууме при температуре, близкой к температуре плав­ ления [58], либо переплавка исходного материала и изго­ товление заготовок для травления из плавленого мате­ риала [59]. Переплавленные металлоподобные соединения имеют крупнокристаллическую структуру, которая легко поддается злектрополировке и, как правило, обеспечи­ вает получение монокристаллического кончика острия. Острия из металлоподобных соединений обычно получа­

Установлено, что общие положения электролитиче­ ской полировки металлов могут быть отнесены и к ме­ таллоподобным соединениям. Следует только учитывать

232

то обстоятельство, что для двухкомпонентных систем, ка­ ковыми являются металлоподобные соединения, анодные процессы могут усложняться избирательным растворени­ ем одного из компонентов.

Для гексаборида лантана в качестве электролита применяются либо концентрированная серная кислота, либо 50%-ный раствор ортофосфорной кислоты. Приме­ нение серной кислоты удобно тем, что режимы электро­ полировки не чувствительны к концентрации кислоты. Анодный процесс протекает по следующей схеме:

S O ~ —2е— wSOa+ O,

LaB2+ 0 + H2S 0 4— ►'В2Р 3 + Ьаг^ О Дз+ Н гО .

Образующаяся соль лантана, вследствие большой вязкости концентрированной серной кислоты, плохо уда­ ляется из зоны реакции. Задержка твердых продуктов реакции у поверхности, подвергающейся полированию, нарушает режимы полирования и вызывает растравли­ вание поверхности острия. Для получения качественной электрополировки необходимо интенсивно перемешивать электролит, например вращением анода. В работе [63] проблема удаления продуктов реакции от полируемой

При изготовлении острий из карбида циркония (ZrC) в качестве электролита применяется фтористый калий. Процесс электрополировки идет в ограниченном интерва­ ле концентраций, лучше всего в 4%-ном растворе. В ра­ боте [62] рекомендуется процесс изготовления острий проводить в две стадии: вначале электролиз вести при напряжении 15... 20 В в статическом режиме, затем на­ пряжение снижать приблизительно до 10 В и вести элек­ трополировку. В режиме электрополировки напряжение должно подаваться импульсами.

Для получения из штабика металлоподобного соедине­ ния острия заданной формы кончик штабика покрывает­ ся тонким диэлектрическим слоем (например, пленкой полистирола), затем штабик погружается в электролит таким образом, чтобы он покрыл изолированную часть и открытую часть штабика длиной 3 .. .4 мм. Так как ниж­ ний конец штабика изолирован, травление идет по грани­ це изолирующей пленки, на штабике образуется «пере­ тяжка», по которой в дальнейшем происходит образова­

233

ние острия. Применение импульсного режима предотвра­ щает затупление образовавшегося острия. Весь процесс проводится при непрерывном контроле под микроскопом. Этот метод позволяет получать острия с радиусом за­ кругления 1... 1,5 мкм.

Особенности АЭЭ металлоподобных соединений. Ис­ следованию автоэмиссионных свойств металлоподобных соединений посвящено несколько работ [58—61, 64]. Экс­ перименты проводились в диодах, аноды которых изго­ тавливались из вольфрама или молибдена [59], либо в проекторах.

Перед началом испытаний эмиттер подвергался про­ греву при высоких температурах, при которых, однако, еще не сказывается испарение исследуемого материала. Отмечено наличие миграции [59]. В связи с этим про­ водилась тепловая стабилизация геометрии острий, пос­ ле чего острия контролировались в оптическом или элек­

сти высоких напряженностей поля и больших плот­ ностей тока в работе [59] наблюдался отход от пря­ молинейности в сторону замедления роста тока с напря­ жением, который авторы объясняют влиянием простран­ ственного заряда. В работе [65] установлено, что для острий из гексаборида лантана и карбида циркония с различными углами конуса отход от прямолинейности наблюдается при различных значениях поля и плотности тока.

234

Устойчивые значения величин полных токов, снимае­ мых с единичных острий в импульсном режиме, состав­

1 000 Гц практически не влияет на величину снимаемого тока и сказывается только на сроке службы. Платность

в работе [59] проводилось при давлении остаточных га­ зов в приборе, равном 1 • 10-7 ... 5 • 10~8 мм рт. ст. при условии непрерывного подкала острий до температуры 600... 800 °С. При работе без подкала в этих вакуумных условиях не удавалось получить стабильных характери­ стик: наблюдались флюктуации эмиссионного тока, со­ ставляющие до 20% среднего значения.

В работе [61] сообщается об исследовании АЭЭ ост­ рия из гексаборида лантана при давлении остаточных га­ зов в приборе, равном 10-9 мм рт. ст. Во время испыта­ ний острия не нагревались. Однако в процессе подготов­ ки к эксперименту острие подвергалось высокотемпера­ турному прогреву в высоком вакууме и очистке десорбци­ ей полем 2- 107 В/см с одновременным нагревом. В этом случае получены те же плотности тока, что и в работе [59]: 105...1 0 6 А/см2 при токе эмиссии порядка 1,2 мА. Максимальный общий ток эмиссии стабильно регистри­ руемый на единичных остриях из карбида циркония и гексаборида лантана, в статическом режиме составляет около 3 мА.

Существенное влияние на величину эмиссионного тока и его стабильность оказывают вакуумные условия в при­ боре. При давлении остаточных газов 10_6... 10~5 мм рт. ст. флюктуации тока эмиссии достигают 20% среднего зна­ чения. При давлении остаточных газов 10-7 мм рт. ст. флюктуации резко уменьшаются, а среднее значение эмиссионного тока возрастает. В работе [59] определены зависимости работы выхода от давления остаточных га­ зов. Работа выхода нагретых до одной и той же темпе­ ратуры эмиттеров увеличивается с ростом давления оста­ точных газов. При увеличении температуры острия сте­ пень изменения эмиссии с ростом давления остаточных газов уменьшается. В цитируемой статье рост работы

235

выхода объясняется адсорбционными процессами. Более поздние исследования [64] по изучению эмиссионных свойств гексаборида лантана в электронных проекторах показали, что за повышенную эмиссию поверхности ост­ рия ответственна пленка электроположительной примеси. По-видимому, этой примесью являются атомы лантана. Поверхностные атомы крайне подвижны и уже при тем­ пературе— 80 °С мигрируют по поверхности под влияни­ ем электрического поля. Высокая подвижность атомов лантана по поверхности борида лантана определяет не­ стабильность автоэмиссионной картины при комнатной температуре, уменьшение автоэмиссионного тока и его флюктуации.' Если острие из борида лантана нагрето до 800 °С, миграция и диффузия из объема компенсирует дефицит лантана на рабочей поверхности АЭК и тем са­ мым стабилизирует эмиссионную картину и ток.

Проведенные исследования показали, что стабиль­ ность эмиссионных свойств АЭК из карбида циркония при экспозиции их в вакууме значительно выше стабиль­ ности АЭК из вольфрама. Острие из карбида циркония выдерживалось в приборе, давление остаточных газов в котором было равно 10-9 мм рт. ст., в течение пяти месяцев, при этом наклон характеристики Фаулера — Нордгейма практически не изменился.

Результаты экспериментов по исследованию влияния на эмиссионные свойства АЭК из карбида циркония, во­ дорода и азота показывают, что адсорбция водорода весьма незначительно снижает автоэмиссию острия; ад­ сорбция азота на карбиде циркония более заметно вли­ яет на эмиссионные свойства. Однако это явление в обо­ их случаях много меньше, чем для вольфрама в тех же условиях. Возможно, относительная нечувствительность ZrC-автоэмиссионного катода к водороду и азоту может быть объяснена меньшей, чем у вольфрама, адсорбцион­ ной способностью или меньшим отравляющим действием адсорбированных газов.

Долговечность АЭК из металлоподобных тугоплав­ ких соединений в основном зависит от вакуумных усло­ вий в приборе. При давлении остаточных газов в при­ боре порядка 10~7 мм рт. ст. (статический режим) срок службы холодного острия из карбида циркония со­ ставляет примерно 100 ч. При давлении порядка Ю~6 мм рт. ст. срок службы сокращается на порядок.

236

Подкалка катодов до 600 °С резко увеличивает срок служ­ бы катода.

При работе в импульсном режиме (т=1 мкс, f = = 1000 Гд) для острия из карбида циркония величина тока эмиссии, равная 2,5 А в импульсе, не изменялась после 200 ч работы катода.

Следует, однако, отметить, что устойчивая работа с долговечностью порядка 1 000 ч возможна только в ус­ ловиях высокого вакуума. Так, в работе [65] сообщается, что для острия из гексаборида лантана в приборе с дав­ лением остаточных газов 10-9 мм рт. ст. в статическом ре­ жиме достигнута долговечность 1 000 ч.

Предполагается, что исследования в области АЭЭ ме­ таллоподобных соединений весьма перспективны. Совре­ менные достижения в области роста кристаллов, таких, например, материалов, как карбиды тугоплавких метал­ лов, и в области технологии их обработки, несомненно, позволят разработать простую и надежную технологию получения АЭК из этих соединений. Эмиссионные же па­ раметры, как видно из изложенного в настоящем пара­ графе, исключительно интересны.

7.4. Перспективы практического использования АЭК из полупроводников

До сих пор обсуждались возможности использования АЭК, построенных на основе тугоплавких проводников и, главным образом, вольфрама. Вместе с тем недавние исследования АЭЭ полупроводников показывают, что в этой области, по-видимому, открывается целый ряд интересных и подчас неожиданных возможностей прак­ тического применения, связанных со спецификой полу­ проводниковых эмиттеров.

Такой особенностью, в частности, является фоточувст­ вительность АЭЭ, наблюдаемая при определенных уров­ нях отбора эмиссионного тока на полупроводниках р-ти- па и высокоомных образцах я-типа (см. рис. 6.12). По­ скольку электроны эмиттируются за счет туннельного эффекта, то красная граница фотоэффекта соответствует фактически красной границе фотопроводимости.

Практически это означает, что принципиально оказы­ вается возможным создать фотоэлектронный источник в значительно более длинноволновой области спектра, чем это достижимо с обычными классическими фотокато­

237

дами. Детально этот аспект АЭЭ полупроводников изу­ чен в работах Борзяка, Мирошниченко, Яценко и др. [66—69]. Этими же авторами предложен ряд вариантов инфракрасных приемников света, основанных на явлении фоточувствителыюй АЭЭ [70—71]. Исследования спек­ тральных характеристик Si и Ge [66, 68, 72] показали, что красная граница фотоэффекта при АЭЭ действитель­ но может быть значительно продвинута (для Si вплоть

Рис. 7.15. Сравнительная характеристика спектральной чувствитель­ ности различных фотокатодов и фоточувствительности при автоэлектронной эмиссии Ge и Si:

/) КН; 2) KS, NaS;^ 3) сурьмяно-цезиевый; 4) мультищелочной; 5) серебряно- кислородно-цезиевый; 6) автофотокатод из кремния, облученного потоком бы­ стрых нейтронов; 7) автофотокатод из германия, легированного никелем.

до 2,5 мкм и для Ge до 3,2 мкм). Заметим для сравне­ ния, что наиболее эффективный из известных — серебря­ но-кислородно-цезиевый фотокатод [73] — имеет красную границу в области 1,2 мкм. Сравнительная характери­ стика спектральной чувствительности различных типов фотокатодов и фоточувствительности при автоэлектронной эмиссии Ge и Si приведена на рис. 7.15.

Квантовый выход вблизи края полосы собственного поглощения составляет, по измерениям авторов [66—68], 0,1 ... 0,3 эл/квант для Si и до 5 ... 6 эл/квант для Ge. Темповые токи для Si при температуре 77 К не превосхо­ дят 10~17А и для Ge 10~10. .. 10_12А.

Низкий уровень.темновых токов в случае Si позволя­ ет использовать кремниевый АЭК в сочетании с вакуум-

238

ным вторично-электронным умножителем и таким обра­ зом создать датчик длинноволнового излучения, работа­ ющий в режиме счета отдельных фотонов [66, 67, 69, 70].

Германиевый АЭК вследствие большого квантового выхода обладает высокой чувствительностью. Например, в области 1,4... 1,5 мкм приемник, построенный на гер­ маниевом АЭК, оказался приблизительно в сто раз чув­ ствительнее обычно используемого в инфракрасной спек­ троскопии болометра Мальцева (ИФ АН УССР) [67]. ФЭУ других типов в этой области длин волн уже не работают.

1.А

10'6г

Рис. 7.16. Зависимость автоэмиссионного тока Si от давления остаточных газов (р = 2000 Ом-см).

Спецификой автоэмиссионного приемника инфракрас­ ного излучения является его точечность. В связи с этим он может служить дополнительным разрешающим эле­ ментом (например, дополнительно к щели спектрографа), а также найти применение в качестве ячейки мозаики в устройствах, служащих для усиления и преобразова­ ния изображения. Такое использование фоточувствительных полупроводниковых АЭК предложено недавно Ар­ туром, Вагнером и др. [74]. Возможность его осуществле­ ния базируется на методике направленного эпитаксиаль­ ного выращивания из газовой фазы системы близко рас­ положенных острий [74—76] (см. § 7.5).

Необходимость поддерживать сверхвысокий вакуум и сохранять неизменным состояние поверхности при экс­ плуатации АЭК все еще является основным препятстви­ ем на пути широкого внедрения этого вида эмиссии. Оказывается, что на полупроводниковых материалах это требование может быть значительно снижено вследствие того, что при некоторых величинах автоэмиссионных

239