Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Яфаров Р. К., Нефедов Д. В., Сторублев А. В. Вакуумно-плазменные процессы при экстремальной полевой эмиссии в алмазографитовых источниках электронов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2021. Т. 21, вып. 1. С. 69-79. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-1-69-79

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.03.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 18)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.533.2

Вакуумно-плазменные процессы при экстремальной полевой эмиссии в алмазографитовых источниках электронов

Авторы: 
Яфаров Равиль Кяшшафович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Нефедов Денис Владимирович, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Сторублев Антон Вячеславович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Для создания элементной базы вакуумной микроэлектроники и сильноточных автоэмиссионных катодов, применяемых для устройств генерации сигналов СВЧ и субтерагерцового диапазонов, одним из перспективных материалов являются наноуглеродные пленочные структуры. Известно, что функционирование сильноточных автоэмиссионных катодов сопровождается рядом сопутствующих явлений, которые влияют на стабильность и долговечность их работы, в частности приводят к возникновению неуправляемых режимов эксплуатации. Поэтому исследование причин, приводящих к возникновению данных режимов, и возможности создания более стабильных и долговечных полевых источников электронов на основе таких катодов является актуальной задачей. Цель – исследование: а) возможности создания сильноточных полевых источников электронов на основе тонкопленочных планарно-торцевых наноалмазографитовых структур, удовлетворяющих различным схемотехническим требованиям; б) причин возникновения неуправляемых режимов эксплуатации, приводящих к изменению вольт-амперных характеристик. В результате проведенных исследований был установлен различный характер вакуумно-плазменных процессов при экстремальной полевой эмиссии в алмазографитовых источниках электронов с различным поверхностным сопротивлением используемых углеродных пленочных структур. В случае низкоомных сильноточных планарно-торцевых автоэмиссионных структур основным характером разрушения является возникновение на катоде «сетки» электротепловых пробоев, характерных для тонких диэлектрических покрытий при протекании скользящего поверхностного электрического разряда. В случае высокоомных алмазографитовых пленочных структур основным характером разрушения при экстремальных режимах эксплуатации является эрозия той области, откуда происходит эмиссия электронов. Установлено, что при превышении напряженности поля в зазоре между катодом и анодом определенной величины возникают катодное свечение и самопроизвольные увеличения полевого тока. Процесс сопровождается напылением атомов углерода на анод и в межэлектродный промежуток. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования долговечности и стабильности сильноточных полевых источников электронов на основе алмазографитовых пленочных структур в зависимости от их конструкции, электрофизических характеристик и вакуумных условий эксплуатации.

Список источников: 
  1. Jun Zhang, Dian Zhanga, Yuwei Fan, Juntao He, Xingjun Ge, Xiaoping Zhang, Jinchuan Ju, Tao Xun. Progress in narrowband high-power microwave sources featured // Physics of Plasmas. 2020. Vol. 27. P. 010501. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5126271
  2. Mittal G., Lahiri I. Recent progress in nanostructured next-generation field emission devices // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. Vol. 47. P. 323001. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/32/323001
  3. Фурсей Г. Н., Поляков М. А., Кантонистов А. А., Яфясов А. М., Павлов Б. С., Божевольнов В. Б. Автоэлектронная и взрывная эмиссия из графеноподобных структур // ЖТФ. 2013. Т. 83, вып. 6. С. 71–77.
  4. Panda K., Hyeok J. J., Park J. Y., Sankaran K. J., Balakrishnan S., Lin I. N. Nanoscale investigation of enhanced electron field emission for silver ion implanted/post-annealed ultrananocrystalline diamond films // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. 16325. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-16395-1
  5. Sobaszek M., Siuzdak K., Ryl J., Sawczak M., Gupta S., Carrizosa S. B., Ficek M., Dec B., Darowicki K., Bogdanowicz R. Diamond Phase (sp3-C) Rich Boron-Doped Carbon Nanowalls (sp2-C) : Physicochemical and Electrochemical Properties // J. Phys. Chem. C. 2017. Vol. 121, № 38. P. 20821. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b06365
  6. Яфаров Р. К., Новиков П. Е., Еремин В. П., Кочнев Д. О. Исследование возможности создания автоэмиссионного катода для безнакального магнетрона на основе алмазографитового нанокомпозита // Вопр. электротехнологии. 2018. № 2. С. 62–71.
  7. Гуляев Ю. B., Абаньшин Н. П., Горфинкель Б. И., Морев С. П., Резчиков А. Ф., Синицын Н. И., Якунин А. Н. Новые решения для создания перспективных приборов на основе низковольтной полевой эмиссии углеродных наноразмерных структур // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 11. С. 63–70.
  8. Яфаров Р. К., Шаныгин В. Я., Нефедов Д. В. Алмазографитовый нанокомпозит для сильноточной полевой эмиссии электронов // Докл. VI Всерос. микроволновой конф. М., 2018. С. 142–146.
  9. Яфаров Р. К., Шаныгин В. Я., Нефедов Д. В. Углеродный пленочный нанокомпозит для сильноточных полевых источников электронов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2019. Т. 19, вып. 1. С. 68–75. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-68-75
  10. Ye Hua, Hong Wan, Xingyu Chen, Bin Chen, Ping Wu, Shuxin Bai. Influence of Surface Microstructures on Explosive Electron Emission Properties for Graphite Cathodes // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. Vol. 45, iss. 6. P. 959‒968. DOI: https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2703139
  11. Filip V., Filip L. D., Hei Wong. Review on peculiar issues of field emission in vacuum nanoelectronic devices // Solid-State Electronics. 2017. Vol. 138. P. 3–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sse.2017.09.010
  12. Amitava Roy, Ankur Patel, Rakhee Menon, Archana Sharma, Chakravarthy D. P., Patil D. S. Emission properties of explosive field emission cathodes // Physics of Plasmas. 2011. Vol. 18. P. 103108. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3646361
  13. Jun Bing Chuan, Hong Wan, Jie Yang, Fan Zhou. Microstructure Characterization of Graphite Cathodes for Explosive Field-Emission // Applied Mechanics and Materials. 2012. Vol. 248. P. 268‒273. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.248.268
  14. Guozhi Liu, Jun Sun, Hao Shao, Changhua Chen, Xiaowei Zhang. Research on an improved explosive emission cathode // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. Vol. 42. P. 125204. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/12/125204
  15. Суздальцев С. Ю., Шаныгин В. Я., Яфаров Р. К. Исследования автоэмиссионного диода с тангенциальным токоотбором из тонкопленочного наноалмазографитового эмиттера // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 11. С. 84‒91.
  16. Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме. 2-е изд. М. ; Л. : Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1950. 836 с.
  17. Shiffler D., Ruebush M. Emission uniformity and emission area of explosive field emission cathodes // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 79. P. 2871. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1415408
  18. Fan Zhou, Hong Wan, Junbing Chuan, Shuxin Bai, Jie Yang. Explosive electron emission from a surface-modified carbon/carbon composite cathode // J. Phys. D : Appl. Phys. 2013. Vol. 46. P. 305203. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/30/305203
  19. Fowler R. H., Nordheim L. W. Electronemission in intense electric fields // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 1928. Vol. 119. P. 173‒181.
  20. Месяц Г. А. Взрывная электронная эмиссия. М. : Физматлит, 2011. 280 с.
Поступила в редакцию: 
17.06.2020
Принята к публикации: 
30.09.2020
Опубликована: 
31.03.2021