Наноструктурные углеродные материалы в электровакуумных лампах (стр. 4 из 4)

Эта формула получена в следующих предположениях: электроны подчиняются статистики Ферми – Дирака, в неметалле на электрон действуют только силы зеркального изображения. Характерными свойствами эмиссии из металла является высокие предельные плотности тока j и экспоненциальная зависимость j от Е. Автоэлектронная эмиссия слабо зависит от Т. При повышении Т и снижении Е автоэлектронная эмиссия переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем (эффект Шоттки).

4.Влияние титанооксидных нанопокрытий на качество поверхности стеклянных изделий электровакуумной техники

Одним из важных требований в области производства высоковольтных электровакуумных приборов является высокая электрическая прочность используемых в них диэлектрических материалов.
Особенно актуально решение указанной задачи при изготовлении стеклянных корпусов для рентгеновских трубок и других высоковольтных приборов, рассчитанных на работу при напряжениях выше 100 кВ. В ряде случаев удается существенно повысить электропрочность и надежность работы отдельных типов электровакуумных приборов за счет нанесения в местах с высокой напряжешостыо электрического поля кристаллических ди- электрических покрытий.Однако в общем виде эта проблема не решена до сих пор. При изучении процесса инициирования электрического пробоя в рентгеновских трубках, работающих при напряжении 50—200 кВ, было установлено существенное влияние диэлектрической стеклянной оболочки на процессы в межэлектродном пространстве, прежде всего на формирование распределения электрического поля. В свою очередь, процессы в межэлектродном пространстве, особенно возникновение паразитной вторичной автоэлектронной эмиссии с электродов и, соответственно, электронная бомбардировка поверхности стеклянного корпуса оказывают значительное влияние на его прочность, вызывая опасные эффекты вплоть до сквозного пробоя, приводящего к нарушению герметичности и разрушению прибора.
Одной из причин указанного явления может быть, с нашей точки зрения, накопление поверхностного и объемного статического заряда на дефектах, имеющихся на внутренней поверхности промышленных стеклянных оболочек: неровностях, посторонних включениях, микротрещинах и т.п. Такие микродефекты можно охарактеризовать как проводящие включения с определенной величиной коэффициента усиления поля. Это усиление приводит к возникновению локальной напряженности поля, достаточной для развития сквозного пробоя стекла даже при относительно небольшой разности потенциалов. Поэтому решение задачи сглаживания рельефа поверхности и залечивания имеющихся поверхностных микродефектов представляется достаточно актуальным. При использовании стеклянных оболочек, имеющих сложную геометрию, весьма проблематично применение традиционных подходов, например поверхностного легирования, сегментационного нанесения или напыления защитных покрытий, поскольку они не обеспечивают формирования конформного покрытия всей рабочей поверхности.
Для решения отмеченной проблемы представляется перспективным использование прецизионного синтеза поверхностных наноструктур методом молекулярного наслаивания. Метод МН отличается от традиционных тонкопленочных технологий такими преимуществами, как точность задания состава и толщины слоя на атомно-молекулярном уровне, образование прочной (химической) связи покрытия с поверхностью матрицы, равномерное распределение модификатора на поверхности не зависимо от ее геометрической конфигурации. Развиваемые подходы ранее были реализованы при синтезе методом МН титаноксидных нанослоев для залечивания микродефектов стеклянных микросфер и заращивания пор кварцевого стекла, что обеспечило заметное уменьшение дефектности поверхности и повышение гидростатической прочности соответственно.
В качестве объектов использовали боросиликатное стекло молибденовой группы С 52-1(ОСТ 11 027.010-75), применяемое для изготовления корпусов рентгеновских трубок.
Синтез титаноксидных нанопокрытий осуществляли на установке проточного типа в условиях, исключающих протекание неконтролируемых побочных химических превращений. Толщину слоя регулировали количеством циклов последовательной обработки матрицы парами ТiСI4 и Н2О. Как следует из данных АСМ, на поверхности исходного стекла наряду
с относительно гладкими участками имеются трещины с оплавленными краями (рис. 1) шириной 100—200 им и глубиной от 2 до 40 им (рис. 2), а также наблюдаются неравномерно распределение по плоскости прочно связанные с поверхностью частицы стекла неправильной формы (с размерами в пределах от 0.5х0.5х0.15 до 1.5х1.5х0.4 мкм3) (рис. 3). Образование подобных включений может быть вызвано, по-видимому, механической обработкой стеклянной заготовки в ходе формовки баллона рентгеновской трубки. Анализ и статистическая обработка полученных результатов свидетельствуют, что средняя шероховатость поверхности исходного стекла намного превышает шероховатость плоских бездефектных участков (3.0—3.9 нм) и составляет 20—50нм.
Таким образом, благодаря данным АСМ установлено, что поверхность исходного стекла имеет весьма дефектное строение, характеризующееся
наличием как трещин нанометрового размера, так и объемными микрообразованиями в виде частиц неправильной формы. Присутствие их на внутренней поверхности стеклянных оболочек несомненно может явиться источником накопления избыточного заряда.
На поверхности исходного стекла при температуре 200 °С путем попеременной обработки парами ТiСI4 и Н20 (4, 8 и 12 циклов) был осуществлен синтез титаноксидных нанослоёв различной толщины. АСМ исследования полученных образцов показали, что уже после четырех циклов образуется сплошное равномерное покрытие из титаноксидкых наноструктур, линейные размеры которых представлены в таблице. Увеличение числа циклов обработки до восьми приводит к повышению среднего размера отдельных титаноксидных наноструктур (см. таблицу). При этом на АСМ-изображениях начинают проявляться границы между кластерами.
После проведения 12 циклов обработки шероховатость поверхности стекла заметно снижается. Образец покрыт сплошным слоем титаноксидных наноструктур (рис. 4), латеральные размеры которых достигают 100—200 нм, а высота от 4 до 8 нм. Из анализа АСМ-изображений поверхности образца
можно установить, что отдельный титаноксидный кластер имеет куполообразную форму и окружен 6—8 соседними структурами, однако образования периодических структур с взаимоупорядоченным расположением отдельных частиц по поверхности стекла обнаружить не удалось. Границы контакта отдельных нанокластеров наблюдаются на уровне 2.0-3.5нм (рис. 5), что свидетельствует о сращивании кластеров ниже этой отметки между собой и формировании на поверхности стекла сплошного бездефектного титаноксидного покрытия. Шероховатость образца снижается до 16 нм.
Следует отметить, что титаноксидные наноструктуры покрывают не только гладкие участки стекла, заполняя и сглаживая имеющиеся трещины и микродефекты, но и поверхность объемных микрообразований стеклянных частиц, т. е. синтез по методу МН обеспечивает нанесение конформного покрытия независимо от характера рельефа исходной поверхности.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о перспективах применения нанотехнологии с использованием метода молекулярного наслаивания для повышения качества поверности стеклянных изделий независимо от их геометрической формы и размеров.

Число цик-лов обработ-ки	Размер синтезированных титанок-сидных структур, нм
	латеральный	высота
4	10–20	1–2
8	25–40	2–2.5
12	100–200	4–8

Рис. 1. АСМ-реконструкция трещины на поверхности исходного стекла.

Рис. 2. Профиль трещин исходного стекла.

Рис. 3. АСМ-реконструкция поверхности исходного стекла

Рис. 4. АСМ-реконструкция поверхности стекла после 12 циклов МН.

Рис. 5. Профиль титаноксидых наноструктур, сформированных на поверхно-сти стекла после 12 циклов МН.

Заключение

В работе были рассмотрены различные наноматериалы и их применение в вакуумной электронной технике .Доказаны их преимущества и обоснованны причины их применения.Также рссмотрены современные технологии их применения

Используемая литература

1. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. – М.: МФТИ, 2001.
2. Silva S.R.P., Forrest R.D., Khan R.U. Tailiring of the field emission properties of hydrogenated amorphous carbon thin films by nitrogen incorporation and thermal annealing. – Diamond and Related Materials, 2000, 9, 1, p. 1205–1209.
3. Суворов А.Л., Шешин Е.П., Простасенко В.В. и др. Микрошероховатые плоские автоэмиссионные катоды из графита, полученные радиационным способом. – ЖТФ, 1996, т.66, №7, с.156–160.
4. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaya Z. Ja. et al. Field emitter arrays on nanotube carbon structure films – J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, v.13, p. 435–436.
5. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. – Успехи физических наук, 1997, т.167, №9, c.945–972.
6. 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.
7. Baker F. S., Osborn A.R., Williams J. Field emission from carbon fibers: A new electron source. – Nature, 1972, v.239, p.96.
8. Colin Lea. Field emission from carbon fibres – J. Phys. D: Appl. Phys., 1973, V. 6, p. 1105–1114.
9. Батурин А.С., Чадаев Н.Н., Шешин Е.П. и др. Разработка лампы подсветки для гидрокристаллических экранов. – В кн.: Тезисы докладов 9 НТК "Современное телевидение". – М., 2001, с. 21–23.
10. Obraztsov A.N., Pavlovsky I.Yu. , Volkov A.P. Prototype of Light Emitting Device with Thin Film Cold Cathode. – In: Proceedings of the 19th Int. Display Research Conf., 1999, p. 229–231.
11. Obraztsov A.N., Volkov A.P., Zakhidov Al.A. et al. Field emission characteristics of nanostructured thin film carbon materials. – Applied Surface Science, 215, 2003,
p. 214–221.
12. Гуляев Ю.В., Синицын Н.И., Торгашов Г.В. и др. Автоэлектронная эмиссия с углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок. – Радиотехника и электроника, 2003, т.48, №11, с.1399–1406.
13. Гуляев Ю.В., Елесин В.Ф., Синицын Н.И. и др. Катодолюминисцентные источники света на основе автоэлектронной эмиссии: концепция практической реализации. – Светотехника, 2000, №1, с.1014

14 2006 ФИЗИКА И ХИМИЯ СТЕКЛА Том 32, № 1 © Малков А. А.*, Соснов Е. А.*, Малыгин А. А.*, Куликов Н. А.**, Брусиловский Г. Л.**, Калиникос Е. Г.**

15. А.Лейченко, Е.Шешин, А.Щука.

Наноструктурные углеродные материалы в катодолюминесцентных источниках света