В настоящее время наиболее перспективны автоэмиссионные катоды на основе углеродных наноматериалов (графен, углеродные нанотрубки), отличающиеся высокой стабильностью тока эмиссии и невысокими величинами рабочего напряжения [1–4]. Для получения углеродных нанотрубок широко используется электродуговой метод, заключающийся в распылении графитового электрода в плазме дугового разряда, горящего в атмосфере инертного газа посредством дугового разряда между электродами с последующей конденсацией и ростом наночастиц [5–7]. Однако проблема получения автоэмиссионных катодов на основе таких материалов для приборов вакуумной электроники не получила завершенного технического решения и продолжает оставаться актуальной проблемой.

Цель работы – экспериментально-расчетная оценка работы выхода электронов из углеродных пленок, полученных электродуговым методом с применением магнитного поля для фильтрации углеродной плазмы от микрочастиц графита.

Объектом исследования послужили катоды на основе автоэмиссионных сред из углеродных пленок, нанесенных электродуговым методом на алюминиевые пластины толщиной 2 мм. Исследуемые углеродные пленки были получены на установке вакуумного напыления износостойких покрытий УВНИПА. Осаждение пленок проводилось при температуре не более 80 °С и токе дуги 70 А. На образец подавался отрицательный потенциал 150 В. Толщина покрытий (примерно 0,3 мкм) контролировалась с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4. Топография поверхности исследуемых образов углеродных пленок проводилась с помощью растрового электронного микроскопа IEOLJSM-6610LV.

Исследование автоэмиссионных характеристик углеродных пленок проводилось в вакуумной камере со шлюзовым устройством, позволяющим измерять автоэмиссионные токи различных образцов за один цикл откачки (рисунок 1). Катодно-анодный узел, представлял собой устройство с катодом из углеродной пленки и анодом из нержавеющей стали с нанесенным телевизионным люминофором. Катодно-анодный узел крепился на сменном механизме, который позволял производить перемещение катода внутри вакуумной камеры и фиксировать взаимное расположение катода и анода с точностью 5 мкм.

Рисунок 1 – Вакуумная камера для измерения ВАХ

На рисунке 2 показано типичное изображение поверхности углеродной пленки, полученное с помощью электронного микроскопа.

Рисунок 2 – Электронное изображение поверхности углеродной пленки Видно, что пленка имеет практически гладкую поверхность.

Исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) образцов проводились в камере, из которой откачивался воздух до давления 6×10-4 Па при межэлектродном расстоянии 10 мкм.

На рисунке 3 представлена ВАХ, построенная в координатах Фаулера – Нордгейма. Здесь I – ток эмиссии, V – напряжение. Как видно из рисунка, ВАХ является прямолинейной, то есть наблюдается автоэлектронная эмиссия.

Работа выхода электронов из углеродной пленки, содержащей углеродные нанотрубки, определяется формулой [8]:

,                                                  (1)

где tgα – тангенс угла наклона прямой Фаулера–Нордгейма относительно оси абсцисс, φ – работа выхода электронов, k – коэффициент усиления поля.

Используя тангенс угла наклона прямой, полученный из экспериментальной ВАХ [8], и расчетное значение коэффициента усиления поля для углеродных нанотрубок, равное 160, согласно работе по формуле 1 можно оценить значение φ ~ 0,2 эВ.

-9

-9,5

-10

-10,5

-11

0,8                        0,85                        0,9                        0,95                         1

1000×1/V, 1/В

Рисунок 3 – Экспериментальная зависимость автоэмиссионного тока углеродной пленки от напряженности поля

Исследованы автоэмиссионные характеристики углеродных пленок, полученных электродуговым распылением графита в магнитном поле. На основе анализа экспериментальных ВАХ показано, что работа выхода электронов из углеродной пленки составила ~ 0,2 эВ.