Спосіб виготовлення вістряного автоемітера з локалізованою емісією

Спосіб виготовлення вістряного автоемітера з локалізованою емісією, що включає 3 більш продуктивних методів виготовлення вістряних автоемітерів з більш високою локалізацією емісії. Недоліком способу [2] є також невисока механічна міцність автоемітерів, яка обумовлена виникненням у поверхневому шарі радіаційних пошкоджень. Внаслідок цього 30...40% вістряних автоемітерів в процесі виготовлення руйнуються під дією пондеромоторних сил електричного поля. Відповідно знижується вихід придатної продукції. В основу винаходу поставлено завдання створити такий спосіб виготовлення вістряного автоемітера з локалізованою емісією, який би був більш продуктивним і давав би можливість отримувати вістряні автоемітери з більш високим виходом придатної продукції. Поставлене завдання вирішується у способі виготовлення вістряного автоемітера з локалізованою емісією, який складається з електрохімічного травлення вістря з металевої заготовки, формування атомно-гладкої поверхні вершини вістря, створення в у газовому середовищі на вершині вістря мікровиступу шляхом подання на вістря електричного потенціалу і випарування мікровиступу. Згідно з винаходом використовують металеву заготовку з вольфраму, мікровиступ створюють в атмосфері пари азоту при тиску 3 10-3Па і при потенціалі, який забезпечує напруженість електричного поля над вершиною вістря (24...57) В/нм. Після цього проводять формування атомного комплексу на вершині вістря польовим випаруванням мікровиступу при температурі (110...140)К і тиску менше 10-3Па. При використанні пропонованого способу одночасно досягаються два технічних ефекти: поперше, формується бездефектний, а отже, і міцний мікровиступ, що виключає можливість його руйнування у процесі польового ви парування; подруге, час, необхідний для формування мікровиступу, зменшується до (5...15) С.Середній час обробки вістря до сформування напівсферичного мікровиступу зменшується приблизно у 15 разів. З урахуванням підготовчих операцій, які включають електрохімічне травлення та шлюзування зразків у високовакуумну камеру, сумарний час виготовлення автоемітера за пропонованим способом зменшується у 4-7 разів. Це дозволяє значно підвищити продуктивність у порівнянні із способом [2]. Спостереження у польовому емісійному мікроскопі показали, що при виготовленні вітряного автоемітера за пропонованим способом, загострення вістря супроводжується зміною конфігурації його вершини. Напівсферична частина вітряної заготовки у процесі її витримки у середовищі азоту при потенціалі, який забезпечує напруженість електричного поля в інтервалі (24...57) В/нм, піддається польовому випаруванню, що стимулюється азотом, і трансформується у параболоїд, сполучений з напівсферою радіусом 5-15нм. Швидкість виготовлення мікровиступу на 2 порядки вище, ніж за способом, обраним як прототип. При використанні для формування мікровиступу стимульованого польового 66188 4 випарування не утворюються радіаційні пошкодження. Це забезпечує високу локальну міцність мікровиступу і, як наслідок, 100% стійкість до дії пондеромоторних сил електричного поля. Застосування операції польового випарування при температурі (110...140)К приводило до формування атомних комплексів, які забезпечували локалізацію електронної емісії на ділянці діаметром 2,5-3нм, що сприяло підвищенню виходу придатної продукції. Обробка вітряної заготовки при напруженості електричного поля поза інтервалу (24...57) В/нм не приводила до формування мікровиступів, відповідальних за локалізацію емісії. При менших напруженостях поля процес стимульованого випарування не приводив до відтворюваного утворення мікровиступів. При більших напруженостях поля мікровиступ також не утворювався через інтенсивне польове випарування вістряної заготовки. На Фіг.1 наведено польове електронномікроскопічне зображення вольфрамового автоемітера, виготовленого за способом, обраним як прототип; на Фіг.2 наведено польове електронно-мікроскопічне зображення вершини вістряного вольфрамового автоемітера, сформованого за пропонованим способом. Приклад. Вістряні автоемітери виготовляли електрохімічним травленням проволоки з вольфраму з осьовою текстурою [110] в однонормальному розчині їдкого натру. В результаті травлення були отримані вістряні заготовки з первинними радіусами кривини 20...70нм. Формування атомно-гладкої поверхні вершини вістря, створення в атмосфері пари азоту на вершині вістря мікровиступу та випарування мікровиступу в електричному полі проводили за допомогою польового емісійного мікроскопу. Як зображуючий газ використовували гелій при тиску 10-2...10-3Па. При роботі в автоелектронному -6 -7 режимі гелій відкачували до тиску 10 ...10 Па і в робочу камеру напускали азот до тиску 5 10-3Па. Потім подавали на вістряний зразок потенціал, який забезпечував напруженість електричного поля на вершиною вістря величиною 44В/нм. Іони азоту, які виникають при цьому, бомбардували вершину вістря зразка і сприяли формуванню мікровиступу. Далі формували атомний комплекс на вершині вістряного зразка польовим випаруванням мікровиступу при температурі 110К і тиску 9 10-4Па. Сформований атомний комплекс забезпечує локалізацію електронної емісії на ділянці діаметром 2нм, що обумовлює високий вихід придатної продукції. Були проведені порівняльні іспити пропонованого способу та способу, обраного як прототип. Для цього використовували робочу вакуумну камеру польового іонного мікроскопу, що дозволяло вести контроль стану поверхні автоемітера. Частина отриманих результатів наведена у таблиці. В ній наведені такі позначення: Р - тиск пари азоту; F - напруженість електричного поля над вершиною голчатої заготовки на початку процесу стимульованого випарування; R - первинний радіус вершини 5 66188 голчатої заготовки; r середній радіус мікровиступу, сформованого у процесі польового випарування, стимульованого парою азоту при 6 тиску Р на протязі часу t; Т - температура, при якої проводять польове випарування; D - діаметр атомного комплексу. Таблиця № з/п Р, Па F, В/н R, нм r, нм 1 2 3 4 5 1 0.0025 44 38 2 0.005 44 38 8.5 3 0.007 20 40 4 0.005 57 45 8 5 0.005 59 42 6 0.005 44 40 9 7 0.005 44 36 9 8 0.007 44 45 7 9 0.007 44 45 7 t, c 6 15 12 15 10 15 10 11 8 8 T, K Pи10-4Па D, нм 7 8 9 110 9 110 9 2 110 9 110 9 2.5 110 9 105 9 140 9 2.5 145 9 135 20 Як виходить з таблиці, при напруженості електричного поля, яке має значення поза інтервалу (24...57) В/нм, мікровиступ не утворювався. Польове електронне зображення вістряного автоемітера, яке наведено на Фіг.1, показує, що за способом, обраним як прототип, формується мікровиступ на вершині вістря, який має декілька кристалографічних полюсів (кругові темні області). Радіус емітуючої ділянки поверхні складає 14нм, що обумовлює низький вихід придатної продукції. Польове електронне зображення вістряного автоемітера після польового випарування, Комп’ютерна верстка О. Чепелев Примітка 10 Мікровиступ та комплекс не сформовані Мікровиступ та комплекс не сформовані Мікровиступ та комплекс не сформовані Комплекс не сформований Комплекс не сформований Комплекс не сформований стимульованого азотом та додаткового польового випарування при температурі 115К (Фіг.2), ілюструють можливість локалізації електронної емісії за пропонованим способом на ділянці діаметром 3нм. Середній час формування напівсферичного мікровиступу на поверхні автоемітера запропонованим способом складає 10с, що приблизно у 15 разів менше часу формування емітуючого мікровиступу шляхом іонного бомбардування за способом, обраним як прототип. Вихід придатної продукції, виготовленої за пропонованим способом на 45% вище, ніж за способом, обраним як прототип. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601