Изобретение относится к области углеродных наноструктур, а именно слоев углеродных нанотрубок на металлических подложках, применяемых в качестве холодных катодов (автоэлектронных источников эмиссии). Преимуществами холодных катодов по сравнению с другими видами источников свободных электронов являются малая чувствительность к внешней радиации, отсутствие накала, высокая плотность тока автоэмиссии, безыинерционность. Совокупность вышеуказанных свойств обуславливает перспективность использования катодов в различных электронных приборах, таких как электронно-лучевые приборы, плоские дисплейные экраны, катодолюминесцентные источники света и так далее. Холодные катоды могут применяться, например, для инжекции зарядов в объем конденсированных сред при криогенных температурах, что используется для изучения свойств твердого и сверхтекучего гелия, жидкого водорода.The invention relates to the field of carbon nanostructures, namely, layers of carbon nanotubes on metal substrates used as cold cathodes (field emission sources). The advantages of cold cathodes over other types of free electron sources are their low sensitivity to external radiation, the absence of incandescence, a high field emission current density, and inertialessness. The combination of the above properties makes it possible to use cathodes in various electronic devices, such as cathode ray devices, flat screen displays, cathodoluminescent light sources and so on. Cold cathodes can be used, for example, to inject charges into the volume of condensed matter at cryogenic temperatures, which is used to study the properties of solid and superfluid helium, liquid hydrogen.
Известен токопроводящий слой углеродных нанотрубок на металлической подложке [Устройство для получения массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках. Патент РФ на изобретение №2471706, опубл. 10.01.2013 г.] - прототип, состоящий из металлической подложки и слоя углеродных нанотрубок, осажденных методом дугового разряда. Основным недостатком конструкции-прототипа является сложность изготовления, т.к. для получения слоя углеродных нанотрубок на металлической подложке требуется устройство, состоящее из двух графитовых электродов, расположенных соосно и перемещаемых навстречу друг другу водоохлаждаемыми штоками, и снабженное скользящими графитовыми токоподводами, выполненными в виде колец, в которых установлены графитовые электроды, электроизолированные от штоков, причем на катоде установлены сменные вставки из электротехнической нелегированной стали, являющиеся подложками для осаждения слоев углеродных нанотрубок, закрепленные графитовыми винтами.A known conductive layer of carbon nanotubes on a metal substrate [Device for producing arrays of carbon nanotubes on metal substrates. RF patent for the invention No. 2471706, publ. January 10, 2013] - a prototype consisting of a metal substrate and a layer of carbon nanotubes deposited by the arc discharge method. The main disadvantage of the prototype design is the complexity of manufacturing, because to obtain a layer of carbon nanotubes on a metal substrate, a device consisting of two graphite electrodes arranged coaxially and moved towards each other by water-cooled rods and equipped with sliding graphite current leads made in the form of rings in which graphite electrodes are insulated from the rods, and on replaceable inserts made of non-alloyed electrical steel are installed at the cathode, which are substrates for the deposition of layers of carbon nanotubes, are fixed graphite screws.
Задачей данного изобретения является создание простого в изготовлении холодного катода без снижения его эксплуатационных характеристик.The objective of the invention is to provide an easy to manufacture cold cathode without compromising its performance.
Эта задача решается в предлагаемом холодном катоде, содержащем слой углеродных нанотрубок и металлическую подложку, за счет того, что металлическая подложка пористая, а между металлической подложкой и слоем углеродных нанотрубок содержится слой углеродной сажи.This problem is solved in the proposed cold cathode containing a layer of carbon nanotubes and a metal substrate, due to the fact that the metal substrate is porous, and a layer of carbon black is contained between the metal substrate and the layer of carbon nanotubes.
Такой холодный катод может быть изготовлен следующим образом: на пористую поверхность диска из нержавеющей стали механически наносят слой углеродной сажи, а затем сверху равномерно насыпают нанотрубки, которые механически втирают в слой сажи. Полученный холодный катод существенно проще в изготовлении по сравнению с прототипом, так как механическое нанесение слоев сажи и углеродных нанотрубок на металлическую подложку в указанной последовательности возможно непосредственно при комнатной температуре без использования защитных сред и специальных устройств. Использование сажи, как показали эксперименты, улучшает механический контакт нанотрубок с металлической поверхностью подложки. Такие структуры являются токопроводящими.Such a cold cathode can be made as follows: a carbon black layer is mechanically deposited on the porous surface of a stainless steel disk, and then nanotubes are sprinkled uniformly on top, which are mechanically rubbed into the carbon black layer. The obtained cold cathode is much easier to manufacture compared to the prototype, since the mechanical deposition of soot layers and carbon nanotubes on a metal substrate in this sequence is possible directly at room temperature without the use of protective media and special devices. The use of soot, as shown by experiments, improves the mechanical contact of nanotubes with the metal surface of the substrate. Such structures are conductive.
Фотография рабочей поверхности холодного катода (со стороны слоя нанотрубок), состоящего из пористой металлической подложки, слоя сажи и слоя углеродных нанотрубок, представлена на фиг. 1. На фиг. 2 схематично представлено поперечное сечение холодного катода, где 1 - пористая металлическая подложка; 2 - слой сажи; 3 - слой углеродных нанотрубок. Вольт-амперная характеристика такого холодного катода в сверхтекучем гелии представлена на фиг. 3, кривая 1. Для сравнения на фиг. 3, кривая 2, представлена вольт-амперная характеристика катода-прототипа. Из представленных графиков видно, что эксплуатационные характеристики изделий практически совпадают: напряжения начала эмиссии электронов имеют близкие значения, а максимальные токи эмиссии одинаковы.A photograph of the working surface of the cold cathode (from the side of the nanotube layer), consisting of a porous metal substrate, a carbon black layer, and a carbon nanotube layer, is shown in FIG. 1. In FIG. 2 schematically shows a cross section of a cold cathode, where 1 is a porous metal substrate; 2 - a layer of soot; 3 - a layer of carbon nanotubes. The current – voltage characteristic of such a cold cathode in superfluid helium is shown in FIG. 3, curve 1. For comparison, in FIG. 3, curve 2, presents the current-voltage characteristic of the cathode prototype. From the graphs presented, it can be seen that the operational characteristics of the products practically coincide: the voltages of the onset of electron emission are close, and the maximum emission currents are the same.
Таким образом, полностью решена поставленная задача создания простого в изготовлении холодного катода без снижения его эксплуатационных характеристик.Thus, the task of creating an easy to manufacture cold cathode without reducing its operational characteristics is completely solved.
