DE1290637B - Field emission cathode - Google Patents

Description

nenstrahls hohen Stromes und geringer Divergenz, der io Kammer, in welcher der Leuchtschirm, ein Speichervon der den Überzug bildenden sehr kleinen Fläche schirm oder die Probe beim Elektronenmikroskop auf der Kathode ausgeht. untergebracht ist. Selbstverständlich hat die Kathode Die zu beschreibende Feldemissionskathode bzw. nach der Erfindung auch den bei allen Feldemissions- -elektrode ist besonders geeignet zur Verwendung in kathoden wichtigen Vorteil, daß keine Heizspaneiner Kathodenstrahlröhre für einen Oszillographen, 15 nungsversorgung erforderlich ist, ausgenommen wäh-high current and low divergence, the io chamber in which the luminescent screen, a memory of the very small surface area forming the coating or the sample under the electron microscope goes out on the cathode. is housed. Of course, the cathode has the field emission cathode to be described or, according to the invention, also the -electrode is particularly suitable for use in cathodes important advantage that no Heizspaner Cathode ray tube for an oscilloscope, 15 power supply is required, except for

kann jedoch auch in anderen mit Elektronenstrahlen arbeitenden Geräten verwendet werden, wie beispielsweise einem Elektronenmikroskop oder einer Ladungsbild-Speicherröhre.however, it can also be used in other electron beam devices such as an electron microscope or a charge image storage tube.

Bei bekanntgewordenen Feldemissionskathoden werden durch ein besonderes Verfahren auf das Kathodenmaterial im Bereich der Spitze bzw. Schneide Fremdatome aufgebracht, die z. B. aus Zirkonium bestehen. Dieses Überziehen der Spitze der Elektronenquelle mit solchen Fremdatomen bringt zwar den großen Vorteil mit sich, daß die Elektronenaustrittsarbeit erheblich vermindert wird und der Elektronenaustritt bevorzugt an einer Stelle der Kathode erfolgt, die diesem Überzug entspricht, diese Feldemissionskathoden bzw. -elektroden weisen jedoch eine relativ kurze Lebensdauer auf, und die Emission der Elektronen aus kleineren Flächen auf der Kathode, wie dies durch das oben beschriebene Verfahren erreicht wird, ist nicht ausreichend gleichbleibend. Außerdem ist die Lebensdauer dieser bekannten Feldemissionskathoden von der jeweils auftretenden Stromdichte während des Betriebes abhängig. Daraus ergibt sich bei der Verwendung einer solchen Kathode in einer Oszillographenröhre eine relarend der Aktivierung einer solchen Kathode. Damit brauchen solche Röhren keine Aufwärmzeit, bevor die Elektronenemission beginnt und die Röhre damit im Betriebszustand ist.In the case of field emission cathodes that have become known, a special process is used to target the Cathode material applied in the area of the tip or cutting edge foreign atoms that z. B. made of zirconium exist. This coating of the tip of the electron source with such foreign atoms brings about with the great advantage that the work function of the electrons is considerably reduced and the Electrons exit preferably at a point on the cathode that corresponds to this coating, this Field emission cathodes or electrodes, however, have a relatively short life, and the Emission of electrons from smaller areas on the cathode, as indicated by the one described above Procedure achieved is not sufficiently consistent. Also, the lifespan of this is well known Field emission cathodes depending on the current density occurring during operation. When using such a cathode in an oscilloscope tube, this results in a relarend the activation of such a cathode. Such tubes do not need any warm-up time before the electron emission begins and the tube is thus in the operating state.

Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathode ist ein Wolframstäbchen oder -drähtchen mit konisch zulaufender Spitze vorgesehen, wobei eine Zwischenschicht aus Sauerstoff und ein Überzug aus Zirkonium sich auf der Spitze des zulaufenden Teiles befinden. Die Wolfram-Kathode ist in bekannter Weise so ausgebildet, daß diejenige Fläche des raumzentrierten kubischen Gitters von Wolfram, welche den Miller-Index (100) hat, an der Spitze der Kathode liegt. Es ist bekannt, daß bei Anbringen eines Überzuges aus Zirkonium auf der Kathode beim Erhitzen dieser Kathode die Zirkoniumatome in die Ebene mit Miller-Index (100) an der Spitze der Kathode wandern. Da Zirkonium eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit hat als Wolfram, ist die Feldemission von Elektronen aus der Kathode heraus im wesentlichen vollständig auf die Ebene mit dem Miller-Index (100) an der Spitze der Kathode begrenzt. In one embodiment of the cathode according to the invention is a tungsten rod or wire provided with a tapered tip, with an intermediate layer of oxygen and a coating made of zirconium are on the tip of the tapered part. The tungsten cathode is well known So designed that the face of the body-centered cubic lattice of tungsten, which has the Miller index (100), is at the top of the cathode. It is known that when attaching a coating of zirconium on the cathode when this cathode is heated, the zirconium atoms in the Migrate level with Miller index (100) at the tip of the cathode. Since zirconium has a lower Electron work function, as tungsten, is the field emission of electrons out of the cathode essentially completely limited to the plane with the Miller index (100) at the tip of the cathode.

Wenn eine Zwischenschicht aus Sauerstoff im SinnWhen an intermediate layer of oxygen in mind

tiv schlechte Bildauflösung und eine verminderte 40 der Erfindung in die Kathodenspitze gelegt wird, be-Schreibgeschwindigkeit, da die der Stromdichte ent- vor man die Zirkoniumschicht darauf anbringt, so ist sprechende, an die Röhre angelegte Betriebsspan- festgestellt worden, daß die Zirkoniumschicht viel nung im Hinblick auf die Lebensdauer der Kathoden- länger an der Ebene mit Miller-Index (100) haftet, strahlröhre relativ klein gehalten werden muß. als wenn man keinen Sauerstoff anwenden würde.tiv poor image resolution and a reduced 40 of the invention is placed in the cathode tip, be writing speed, since the current density is before the zirconium layer is applied to it Speaking operating chip applied to the tube, it has been established that the zirconium layer is much with regard to the service life of the cathode - longer adheres to the plane with Miller index (100), ray tube must be kept relatively small. like not using oxygen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Feld- 45 Die theoretischen Gründe für diesen Effekt sind noch emissionskathode zu schaffen, die eine relativ hohe nicht ganz verständlich, es wird aber angenommen, Lebensdauer aufweist und die oben beschriebenen daß hierfür sowohl die relative Größe der Atome, Nachteile beseitigt. durch die sich eine bestimmte geometrische Einord-The object of the present invention is to provide a field 45 The theoretical reasons for this effect are still to create emission cathode, which is a relatively high not entirely understandable, but it is assumed Lifetime and the above-described that for this both the relative size of the atoms, Disadvantages eliminated. through which a certain geometrical classification

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch nung der Sauerstoff- und Zirkoniumatome an der darin zu sehen, daß sie eine Feldemissionskathode 50 Wolframgitterebene mit Miller-Index (100) ergibt, alsAn object of the present invention is also voltage of the oxygen and zirconium atoms on the seen therein that it gives a field emission cathode 50 tungsten lattice plane with Miller index (100) than

für Elektronenstrahleinrichtungen schafft, die für größere Stromdichten des Elektronenstrahls geeignet ist, wodurch auch eine bessere Bildauflösung und eine höhere Schreibgeschwindigkeit (im Falle einer Oszillographenröhre) ermöglicht werden.for electron beam devices that creates for larger ones Current densities of the electron beam is suitable, whereby a better image resolution and a higher writing speed (in the case of an oscilloscope tube) can be made possible.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß im Bereich der Spitze bzw. Schneide der Kathode eine dritte Art von Atomen vorhanden ist, die sich unter den den Überauch die durch die jeweilige Stellung in der Spannungsreihe der Elemente erzielte elektrische Anziehung zwischen den Atomen der beiden Elemente verantwortlich ist.These objects are achieved according to the invention essentially in that in the area of At the tip or edge of the cathode a third type of atom is present, which is located under the overauch the electrical attraction achieved by the respective position in the voltage series of the elements between the atoms of the two elements is responsible.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigt
F i g. 1 eine vergrößerte Ansicht einer Ausfüh-Further advantages and details of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In this shows
F i g. 1 is an enlarged view of an embodiment

zug bildenden Atomen befinden und die in der Span- 60 rungsform der Feldemissionskathode mit Spitze,
nungsreihe der Elemente so weit von den den Über- F i g. 2 eine Ansicht eines weiteren Ausführungstraction forming atoms and which are in the voltage form of the field emission cathode with tip,
tion series of the elements so far from the over- F i g. Figure 2 is a view of another embodiment

zug bildenden Atomen entfernt sind, daß sie diese anziehen.tens of forming atoms are removed so that they attract them.

Durch das Einfügen der zusätzlichen Atome wird nicht nur ein besseres Haften des Überzuges auf dem Kathodenmaterial bewirkt, sondern weiterhin überraschenderweise eine weitere Absenkung der Austrittsarbeit im Vergleich zu dem bekannten Kathodenbeispiels der Feldemissionskathode mit Spitze,By inserting the additional atoms, not only does the coating adhere better to the Cathode material causes, but surprisingly, a further reduction in the work function compared to the known cathode example of the field emission cathode with a tip,

Fig. 3A eine Darstellung einer Ausführung der Feldemissionskathode mit Schneide,Fig. 3A is an illustration of an embodiment of Field emission cathode with cutting edge,

Fig. 3B einen Schnitt nach der Linie 35-3B in Fig. 3A undFig. 3B shows a section along the line 35-3 B in Fig. 3A and

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Spitzenbzw. Schneidenabschnittes der FeldemissionskathodenF i g. 4 a schematic representation of the tip or Cutting section of the field emission cathode

nach den F i g. 1 bis 3 zur Darstellung der Atomanordnung in dieser Spitze bzw. Schneide.according to the F i g. 1 to 3 to show the atomic arrangement in this tip or cutting edge.

Die Kathode nach F i g. 1 weist einen Emissionsbereich 1 auf, der auf einem zur Halterung dienenden Draht 2 angebracht ist. Dieser Draht dient dazu, den Emissionsabschnitt während der Herstellung der später zu beschreibenden Überzüge zu erhitzen. Der der Halterung dienende Draht 2 kann ein Wolframdraht sein, der in U-Form gebogen ist. Der Elektronen emittierende Abschnitt 1 besteht aus einem Wolfram-Einkristallstückchen in der Gestalt eines Kegels mit einem Öffnungswinkel von etwa 30°, welcher hinreichend ist, um eine starke Feldemission von anderen Abschnitten dieses Teilchens 1 außer der Spitze zu verhindern. Der konische Abschnitt 1 hat eine Spitze 3 mit einem Krümmungsradius im Bereich zwischen 10~⁷ und 10~⁴ cm, um das zur Erzielung einer Feldemission erforderliche hohe elektrische Feld erzeugen zu können.The cathode according to FIG. 1 has an emission region 1 which is attached to a wire 2 used for holding. This wire is used to heat the emission section during the manufacture of the coatings to be described later. The wire 2 used for the holder can be a tungsten wire which is bent in a U-shape. The electron-emitting section 1 consists of a tungsten single crystal piece in the shape of a cone with an opening angle of about 30 °, which is sufficient to prevent strong field emission from other sections of this particle 1 except the tip. The conical section 1 has a tip 3 with a radius of curvature in the range between 10 ~ ⁷ and 10 ~ ⁴ cm in order to be able to generate the high electric field required to achieve a field emission.

Die Spitze 3 des Abschnittes 1 der ganzen Kathode ist mit einer Elektronen emittierenden Schicht 4 bedeckt, wie schematisch in F i g. 4 dargestellt ist. Dieser Überzug besteht aus einem Material niedriger Austrittsarbeit, wie z. B. Zirkonium. Darunter ist eine Zwischenschicht 5 aus beispielsweise Sauerstoff, welche als »Bindeschicht« wirkt, angeordnet. Der aus Wolfram, Sauerstoff und Zirkonium bestehende Abschnitt der Kathode hat eine Elektronenaustrittsarbeit von etwa 2,6 Elektronen-Volt bei Raumtemperatur, während die Elektronenaustrittsarbeit von Wolfram allein etwa 4,5 Elektronen-Volt beträgt. Die Zirkoniumatome haben eine solche Größe, daß sie in die Zwischenräume zwischen den Wolfrainatomen 6 an der Oberfläche der Spitze 3 passen, wobei diese Oberfläche eine Kristallgitterfläche mit dem Miller-Index (100) ist. Die auf der Kathode niedergeschlagenen Zirkoniumatome wandern in die Kristallgitterebene mit Miller-Index (100) des Wolframgitters, welche nach der Kathodenspitze ausgerichtet ist, und offensichtlich auch in den Bereich, der diese Ebene immittelbar umgibt, nachdem man die Kathode durch Stromfluß durch den Draht 2 oder auf andere geeignete Weise erhitzt hat, und bewirken damit, daß Elektronen 7 nur von der schmalen Oberfläche der Gitterebene mit Miller-Index (100) und dem diese Fläche umgebenden Bereich emittiert werden.The tip 3 of section 1 of the whole cathode is covered with an electron-emitting layer 4, as schematically in FIG. 4 is shown. This coating consists of a material lower Work function, such as B. zirconium. Underneath is an intermediate layer 5 made of, for example, oxygen, which acts as a "binding layer". The section made up of tungsten, oxygen and zirconium the cathode has an electron work function of about 2.6 electron volts at room temperature, while the electron work function of tungsten alone is about 4.5 electron volts. The zirconium atoms have such a size that they fit into the spaces between the Wolfrainatomen 6 fit the surface of the tip 3, this surface being a crystal lattice face with the Miller index (100) is. The zirconium atoms deposited on the cathode migrate into the crystal lattice plane with Miller index (100) of the tungsten grid aligned with the cathode tip, and obviously also in the area that immediately surrounds this plane after the cathode has passed through Current flow through the wire 2 or heated in another suitable manner, thereby causing electrons 7 only from the narrow surface of the lattice plane with Miller index (100) and this surface surrounding area are emitted.

Als Überzugsschicht 4 können neben Zirkonium auch die ebenfalls eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit zeigenden Elemente Hafnium oder Magnesium verwendet werden, weil diese Elemente sich in die Gitterebene mit Miller-Index (100) des Wolframs einordnen. Stickstoff, Chlor, Jod oder Fluor sind als weitere Zwischenschichtelemente geeignet. Es können damit also praktisch auch andere geeignete Elemente nach Maßgabe der Spannungsreihe in den Schichten 4 und 5 verwendet werden, wenn diese Elemente nur die geeigneten elektrischen Ladungen und die richtigen Atomgrößen haben.In addition to zirconium, the coating layer 4 can also have a low electron work function Pointing elements hafnium or magnesium are used because these elements are in the Classify the grid plane with the Miller index (100) of the tungsten. Nitrogen, chlorine, iodine or fluorine are considered other intermediate layer elements are suitable. Other suitable elements can thus practically also be used in accordance with the voltage series in layers 4 and 5, if these Elements only have the appropriate electrical charges and the correct atomic sizes.

Man kann das Zirkonium auch noch durch anderes Elektronen emittierendes Material ersetzen, wie z. B. Caesium, Barium oder Thorium, weiches an den Wolframgitterebenen mit den Miller-Indizes (100) und (211) haftet. Diese eben genannten, Elektronen emittierenden Materialien haben jedoch einen kleinen Nachteil insofern, als sie eine Vielzahl von mit Abstand zueinander angeordneten Emissionsquellen auf der Kathode bilden würden, da diese Materialien an verschiedenen Ebenen haften. Eine Elektronenquelle, die aus mehreren Einzelquellen besteht, ist meist unerwünscht, da zum richtigen Fokussieren des Strahles eine punktförmige Quelle erforderdlich ist. Man kann sich aber vorstellen, daß man eine Kathode so aufbaut, daß nur eine dieser Ebenen an der Spitze oder Schneide mit kleinem Krümmungsradius liegt, so daß die Elektronenemission auf einen solchen Punkt bzw. eine solche Linie begrenzt ist. Man kann selbstverständlich auch andere feuerfeste Metalle mit raumzentriertem kubischem Gitter und einer Atomgröße ähnlich dem Wolfram verwenden, wie z. B. Molybdän, Platin, Nickel; man kann sogar Halbleitermaterialien, wie Silizium oder Diamant, an Stelle von Wolfram für die Feldemissionskathode verwenden. In diesem Fall würden andere Materialien mit niedriger Austrittsarbeit für die Schicht 4 und gegebenenfalls andere Bindematerialien für die Zwischenschicht 5 verwendet werden. Man kann im Gegensatz zur Ausbildung nach F i g. 1 auch eine Kathode nach F i g. 2 ausbilden, in welchem Fall die Kathode selbst einen relativ großen zylindrischen Körper 8, beispielsweise aus Wolfram, mit einer konischen Zuspitzung V aufweist. Die Spitze 3' dieser Anordnung ist ähnlich der in F i g. 4 dargestellten Weise mit einem Überzug aus Elektronen emittierendem Material und einer Zwischenschicht aus Bindematerial versehen. Die Kathode nach F i g. 2 kann unmittelbar durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule beheizt werden, um zu bewirken, daß das auf dem Kathodenabschnitt 1' aufgebrachte Zirkonium in die Ebene mit Miller-Index (100) gemäß F i g. 4 wandert. Man kann selbstverständlich auch andere geeignete Heizverfahren zur indirekten Heizung anwenden einschließlich Beschießung mit Elektronen von einer weiteren Quelle.You can also replace the zirconium with other electron-emitting material, such as. B. cesium, barium or thorium, soft adheres to the tungsten lattice planes with the Miller indices (100) and (211). However, these electron-emitting materials just mentioned have a small disadvantage in that they would form a large number of emission sources arranged at a distance from one another on the cathode, since these materials adhere to different planes. An electron source that consists of several individual sources is usually undesirable because a point source is required to properly focus the beam. But one can imagine building a cathode in such a way that only one of these planes is at the tip or cutting edge with a small radius of curvature, so that the electron emission is limited to such a point or such a line. You can of course also use other refractory metals with a body-centered cubic lattice and an atomic size similar to tungsten, such as. B. molybdenum, platinum, nickel; it is even possible to use semiconductor materials such as silicon or diamond instead of tungsten for the field emission cathode. In this case, other materials with a low work function would be used for the layer 4 and possibly other binding materials for the intermediate layer 5. In contrast to the training according to FIG. 1 also has a cathode according to FIG. Form 2, in which case the cathode itself has a relatively large cylindrical body 8, for example made of tungsten, with a conical taper V. The tip 3 'of this arrangement is similar to that in FIG. 4 with a coating of electron-emitting material and an intermediate layer of binding material. The cathode according to FIG. 2 can be heated directly by a high-frequency induction coil in order to cause the zirconium applied to the cathode section 1 'to move into the plane with Miller index (100) according to FIG. 4 wanders. It is of course also possible to use other suitable heating methods for indirect heating, including bombardment with electrons from a further source.

An Stelle der Verwendung von spitz zulaufenden Kathoden nach den F i g. 1 und 2 kann auch eine längliche, scharf zulaufende Messerschneide 9 gemäß den Fig. 3A und 3B vorgesehen werden. Diese messerschneidenartige Kathode kann auf einem Draht 2' nach Biegen desselben in rechtwinklige Gestalt angebracht werden, indem man die Außenkante des mittleren Teiles entsprechend schärft, z. B. schleift. Die die Kristallebene mit Miller-Index (100) enthaltende Schneide der Wolframunterlage kann ähnlich der in F i g. 4 gezeigten Weise mit einem Elektronen emittierenden Material belegt werden, indem man z. B. einen Heizstrom durch den Draht 2' fließen läßt.Instead of using tapered cathodes according to FIGS. 1 and 2, an elongated, sharply tapering knife edge 9 according to FIGS. 3A and 3B can also be provided. This knife-edge-like cathode can be attached to a wire 2 'after bending it into a rectangular shape by sharpening the outer edge of the central part accordingly, e.g. B. grinds. The cutting edge of the tungsten base containing the crystal plane with Miller index (100) can be similar to that in FIG. 4 can be coated with an electron-emitting material by z. B. allows a heating current to flow through the wire 2 '.

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Feldemissionskathode, deren Spitze bzw. Schneide in einer Gitterebene des Kathodenmaterials liegt und auf der im Bereich der Spitze bzw. Schneide über den Atomen des Kathodenmaterials einen Überzug bildende weitere Atome aufgebracht sind, deren Elektronenaustrittsarbeit, verglichen mit den übrigen Oberflächenbereichen der Kathode, niedriger ist, gekennzeichnet d u r c h das Vorhandensein einer dritten Art von Atomen (5) im Bereich der Spitze bzw. Schneide, die sich unter den den Überzug bildenden Atomen befinden und die in der Spannungsreihe der Elemente so weit von den den überzug bildenden Atomen entfernt sind, daß sie diese anziehen.1. Field emission cathode, the tip or cutting edge of which is in a lattice plane of the cathode material and on the area of the tip or cutting edge above the atoms of the cathode material additional atoms forming a coating are applied, their electron work function, compared to the remaining surface areas of the cathode, is lower, characterized by the presence of a third type of atoms (5) in the area of the tip or cutting edge, those under the atoms forming the coating and those in the voltage series of the elements are so far removed from the atoms forming the coating that they attract them. 2. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte Art von Atomen (5) Atome von solcher Größe gewählt wer-2. Field emission cathode according to claim 1, characterized in that the third type of atoms (5) Atoms of such size are chosen den, daß sie in die Gitterebene des Kathodenmaterials passen (Fig. 4).that they fit into the lattice plane of the cathode material (Fig. 4). 3. Feldemissionskathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial (6) zumindest an der Spitze oder Schneide aus emkristallinem Wolfram besteht und daß das den Überzug bildende emittierende Material (4) Zirkonium, Hafnium oder Magnesium ist.3. Field emission cathode according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode material (6) consists of crystalline tungsten at least at the tip or cutting edge and that the emitting material forming the coating (4) is zirconium, hafnium or magnesium. 4, Feldemissionskathode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte Art von Atomen (5) Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Jod oder Fluor Verwendung findet.4, field emission cathode according to claims 1 to 3, characterized in that as third type of atoms (5) oxygen, nitrogen, chlorine, iodine or fluorine is used. 5. Feldemissionskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (Fig.4) oder Schneide der Kathode in einer Kristallgitterebene vom Miller-Index (100) liegt und daß das den Überzug bildende emittierende Material (4) auf der Gitterebene Zirkonium und das die dritte Art von Atomen bildende Element (5) Sauerstoff ist.5. Field emission cathode according to claim 3, characterized in that the tip (Fig. 4) or the cutting edge of the cathode lies in a crystal lattice plane of the Miller index (100) and that the the emissive material (4) forming the coating on the lattice plane zirconium and the third Kind of atom-forming element (5) is oxygen. 6. Feldemissionskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spitze bzw. Schneide tragende Teil (1) der Kathode auf einem Heizdraht (2) angeordnet ist.6. Field emission cathode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the the tip or cutting edge carrying part (1) of the cathode is arranged on a heating wire (2). Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings