DE2012101A1

DE2012101A1 - Kathoden mit hoher Feldemission und Verfahren zur Herstellung dieser Kathoden. A)im: Matsushita Electric Industrial Company, Ltd., Kadoma City, Osaka (Japan)

Info

Publication number: DE2012101A1
Application number: DE19702012101
Authority: DE
Inventors: Jun; Ohhara Takahumi; Kadoma City Osaka Nishida (Japan)
Priority date: 1969-03-14
Filing date: 1970-03-13
Publication date: 1970-09-24
Also published as: US3678325A; NL149947B; FR2034947B1; GB1309423A; NL7003616A; DE2012101B2; DE2012101C3; FR2034947A1

Description

Dr. D. Thomsen Dipi.-ing. H. Tiedtke G.Bühiing 2012101

MÜNCHEN TAL 33

TEL. 0811/226894 295051

CABLES: THOPATENT TELEX: FOLGT

W. Weinkauff

FRANKFURT (MAIN) 50 FUCHSHOHL 71

TEL. 0611/514666

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8000 München 2 13. März 19 case PG25-7002 / T 3535

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd, Osaka, Japan

Kathoden mit hoher Feldemission und Verfahren zur Herstellung dieser Kathoden

Die Erfindung bezieht sich auf Kathoden, wie sie für Elektronenröhren geeignet sind,,und insbesondere auf Kathoden mit hoher Feldemission, die als Punktquelle für einen Elektronenstrahl verwendet werden.

Wird ein hohes positives elektrisches Feld an die Oberfläche eines Leiters angelegt, ist es möglich, unmittelbar aus dem Material bei gewöhnlichen Temperaturen

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Mündlich· Abreden, ln§b»«ond»r· durch T*l*lon. bediirfen »chrlhllort»f tMlfttlgung Drodner Bank (München) Kto. 10»IM . D«utKh· Bank (MOiWMn) Kto. 2\mi3t > W. ·ιοθ.ΜΛ (München) Kto. 331338 · Hypo-Btnk (MQnchtn) Kto. 36121W

Elektronen herauszuziehen. Die Emission von Elektronen aus der Oberfläche eines Leiters in ein Vakuum unter dem Einfluß eines hohen elektrischen Felds ist ein elementarer Effekt, der vergleichbar ist mit thermionischer Emission, photoelektrischer Emission oder sekundärer Emission. Sofern als Zweck einer Kathode die Emission von soviel wie möglich Elektronen aus einem Leiter oder einem Metall angesehen wird, überragt ein Starkfeldemitter alle anderen Kathoden, da Stromdichten von Millionen von Ampere pro Quadratzentimeter leicht erhalten werden. Die bisher erhaltenen experimentiellen Ergebnisse mit Bezug auf Starkfeldemission erbrachten, daß die Leistung der Emission sehr abhängig von den Oberflächenzuständen des als Emitter verwendeten Materials ist. Die Oberflächenpotentialschwelle hängt eng von den Oberflächenbedingungen oder Oberflächenzuständen ab. Zum Beispiel sind die Reinheit der Oberfläche und die Tatsache, ob die Oberfläche mit einem weiteren Metall oder mit absorbierten Gasatomen überzogen ist, zwei der wichtigen Faktoren, die die Höhe der Oberflächenpotentialschwelle bestimmen. Für Kathoden mit starker Feldemission sind daher niedrigere Austrittsarbeit und Stabilität bei einer hohen Temperatur erwünschte Merkmale. Die niedrige Austrittsarbeit wird für diese Kathoden gefordert, um die für eins gegebene Elektronenemission notwendige Betriebsspannung "zu erniedrigen, wie es später noch näher erläutert wird«

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Materialien, die für herkömmliche Kathoden mit-starter cdsr hoher^Feldemission verwendet wurden, besitzen im allgemeinen Eigenschaften wie zufriedenstellende mechanische Festigkeit, Herstellbarkeit eines feinen Drahtes mit einer zugespitzten Spitze an dem Führungsende, chemische Inertheit gegenüber Gasen unter ELnsdhliß von Sauerstoff und Stabilität bei einer hohen Temperatur. Diese Charakteristiken begrenzen die Art der verwendbaren Kathodenmaterialien auf beispielsweise harte Metalle wie Wolfram (W), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) und Rhenium CRe) und Whiskers wie Siliconcarbid (SiC); alle diese Materialien sind durch ihre relativ hohe Austrittsarbeit gekennzeichnet. Dies führt zu der unerwünschten Tatsache, daß für das Betätigen der Kathoden zum Ausziehen eines ausreichenden elektrischen Stroms eine hohe Betriebsspannung erforderlich ist. Um die gewünschte Strommenge mit einer geringeren angelegten Spannung herauszuziehen, ist eine Kathode vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt worden, die die vorgenannten spezifizierten Materialien als einen Trägerdraht verwendet', der andere Metalle oder deren Oxyde als Überzug aufweist. Diese Metalle oder deren Oxyde gehören vorzugsweise zu der Art, die eine niedrige Austrittsarbeit haben, so daß die Betriebsspannung verringert werden kann. Ein derartiger Ober zug v/urde bisher bei den praktischen Anwendungen durch Vakuumaufdampfen aufgebracht,

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Gemäß einem typischen Vakuumaufdampfverfahren wird ein Material niedriger Austrittsarbeit wie Barium in einem Vakuum verdampft und auf feinen Wolframdraht mit einer zugespitzten Spitze aufgebracht. Die Bindung zwischen dem Wolfram und dem Barium ist mangelhaft mit Ausnahme in ihrer wenige Atome starten Schicht. Die mit Barium-überzogene Wolframspitze wird dann aus dem Vakuum entnommen und der Umgebungsluft ausgesetzt, bevor sie als Kathode in eine Elektronenröhre eingesetzt wird. Das Überzugsbarium wird während es der Luft ausgesetzt ist, durch Sauerstoffgase in der Luft angegriffen, was zur Bildung einer Oxydschicht auf der Spitzenoberfläche führt. Damit die Sauerstoffgase und andere absorbierte Gase teilweise decxydiert und von der Bariumoxydschicht desorbiert werden und damit sich das Barium gleichmäßig in das WoIframträgerniaterial durch teilweise Diffusion in dieses Material verteilt-, wird das Überzugsmetall zusammen mit dem Wolframdraht bei erhöhten Temperaturen einer Wärmebehandlung unterzogen, Bei der praktischen Herstellung einer Elektronenröhre ist es erwünscht, daß die Drahtkathode in die Röhre eingesetzt und einer nachträglichen Wärmebehandlung zw:n Entgasen der Röhre ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird eine Kathode hoher Feldemission bei niedriger: Betriebsspannungen durch den Stand der Technik erhalten.

Die so erhaltenen Kathoden hoher Feldemission haben 009839/1951

jedoch einige Nachteile. Das Überzugsmetall sitzt als Bariumschicht unmittelbar auf der Oberfläche des Trägermaterials der Kathode, so daß es leicht durch die umgebenden Gasmoleküle beeinträchtigt wird, wenn sie diesen ausgesetzt wird. Darüber hinaus neigt das Metall dazu, während der Wärmebehandlung in das umgebende Vakuum zu verdampfen« Obwohl das Material teilweise in die Kathode eingedrungen ist, beispielsweise in einer einige.Atome starken Schicht des Überzugsmaterials, ist die Eindringtiefe nicht groß genug. Dies äußert^sich in der Wahrscheinlichkeit der Diffusion und Oberflächenwanderung von Metallatomen, wenn das Metallmaterial für Aktivierung erhitzt wird, so daß sich eine verkürzte Lebensdauer für die bestehenden Kathoden ergibt·

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kathode mit hoher Feldemission zu schaffen, in die Metallionen niedriger Austrittsarbeit eingebettet sind« Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektronenvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kathode zu schaffen.

Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kathode zu schaffen, bei dem .Metallionen niedriger Austrittsarbeit in einen zugespitzten spitzen Abschnitt einer geformten Kathode eingebettet werden, die bei hohen Temperaturen stabil und chemisch inert gegenüber Gasmolekülen unter

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Einschluß von Sauerstoff ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Fig, 1 ist eine schematische Darstellung, die

das Arbeitskonzept einer erfindungsgemässen Kathode mit hoher Feldemission verdeutlicht;

Fig. 2 Ca) zeigt in erläuternder Weise das Energieniveau von in einem Vakuum untergebrachtem Wolfram;

Fig. 2 Cb) ist eine der Fig. 2 Ca) entsprechende Darstellung, die das Energieniveau bei einem aufgebauten hohen elektrischen Feld verdeutlicht;

Fig. 3 Ca) zeigt ebenfalls in einer erläuternden

Weise das Energieniveau von Wolfram, das mit Barium überzogen ist und in einem Vakuum untergebracht ist;

Fig. 3 Cb) ist eine der Fig. 3 Ca) entsprechende Darstellung» die das Energieniveau bei einem aufgebauten hohen elektrischen Feld

verdeutlicht;
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Fig» 4 ist eine graphisohe Darstellung über die. Verteilung der in Form von Ionen in das Trägermaterial der Kathode eingebetteten Metallionen niedriger Austrittsarbeit.

In Fig, 1 ist eine typische Kathode hoher Feldemission mit 10 bezeichnet und mit einer zugespitzten Spitze versehen, die beispielsweise durch elektrochemisches Ätzen oder im Lichtbogen beim Durchschlagen erzeugt worden ist. In die Oberfläche dieser scharfen Spitze werden Metallionen niedriger Austrittsarbeit durch Aufbau eines beschleunigenden elektrischen Felds eingebettet. Die anfängliche Kathode 10 und die Metallionen können zum Beispiel aus Vfolfram bzw. Barium bestehen. Der Kathode 10 gegenüber ist eine als Anode wirkende Elektrode 11-angeordnet. Von einer Spannungsquelle 12 wird zwischen beiden Elektroden 10 und 11 eine geeignete Spannung angelegt. Wenn zwischen den beiden Elektroden 10 und 11 bei der angelegten Spannung ein hohes elektrisches Feld aufgebaut wird, dient dieses Feld dazu, die Oberflächenpotentialsctwelle zu erniedrigen, wobei dieses ;Eeld durch die Oberfläche Elektronen zieht. Vorausgesetzt, daß auf der Kathode 10 kein Metall niedriger Austrittsarbeit vorgesehen ist, ist in diesem Fall das für die Überwindung der Oberflächenschwelle notwendige elektrische Feld so hoch, daß kaum Elektronen aus der Oberfläche entweichen: ist hingegen das Metall eingebettet, ist die Austrittsarbeit der Kathode

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im Ganzen herabgemindert. Das elektrische Feld läßt nunmehr die Elektronen durch die Potentialschwelle an der Oberfläche entweichen, wodurch ein Strom von Elektronen gebildet wird, wie er mit den Buchstaben e bezeichnet ist und der von der Oberfläche unter dem Einfluß des Felds ausgeht* Dieses Phänomen wird im Folgenden anhand der Fig. 2 (a) bis 3 (b) erläutert.

In Fig. 2 (a) ist das Vakuumenergieniveau von Wolfram, abgekürzt V.L* auf der Etage und liegt die Potentialschwelle als Ganzes in abgestufter Form vor. Die Austrittsarbeit, deren Wert in diesem Fall mit 4,5 eV angegeben ist, ist definiert als Unterschied zwischen dem Vakuumniveau V.L. und dem. sogenannten Ferminiveau, abgekürzt F.L. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Austrittsarbeit eine Energie ist, die notwendig ist, damit ein Elektron auf dem Ferminiveau F.L. aus der Oberfläche von Wolfram frei wird. Wird in Nachbarschaft der¹ Oberfläche ein elektrisches Feld aufgebaut, fällt das Vakuumniveau V.L. mit einem bestaunten Gefalle ab und erscheint die Potentialschwelle gemäß. F.ig. 2 (b) als dreieckförmiger Hügel, Je stärker das au/c.ebaate elektrische Feld vr'.rd, umso spitzer wird der dr-ai^ekförmige Hügel.., Die Austrittsarbeit 4,5 eV bleibt trot "dcjii v,r_: .«sentl ichen unverändert.« Tatsächlich fällt ;■'edocn die Austri^tsarbe^t um wenige Zehntel von 1 eV al··, was aIa Shottky-EffeJct /Jt zeichnet wird, Somit können lie Elektronen innerhalb der Wolframmasse nur dann

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ORIGINAL INSPECTED

die Oberfläche verlassen, wenn ihnen die Energie von U, 5 eV gegeben wird»

Wenn das Wolfram mit einem Metall niedriger Austrittsarbeit wie Barium überzogen ist oder wenn ein derartiges Metall in das Wolfram eingebettet ist, wird das Vakuumniveau V.L. abgesenkt, so daß sich der Viert der Austrittsarbeit von ^,5 eV auf 1,5 eV gemäß Fig. 3 Ca) verschiebt. Daraus ergibt sich, daß die im Inneren der Wolframmasse befindlichen Elektronen herausgezogen oder leichter über die Schwelle aus der Oberfläche bewegt werden, wenn das anziehende elektrische Feld relativ inten-' siv ist. Gemäß Fig. 3 Cb) nimmt die Potentialschwelle bei Entwicklung eines hohen Felds die Form eines dreieckförmigen Hügels an₉ der gegenüber dem Ferminiveau F.L. abgesenkt ist. Das Vakuumniveau V.L. hat ebenfalls ein negatives Gefälle, das umso steiler-wird,"je höher das aufgebaute elektrische Feld wird. In diesem Fall können selbst Elektronen mit Energien unter dem Ferminiveau durch den engen Abschnitt der Potentialschwelle wandern. Dieses Phänomen ist als Tunneleffekt bekannt und,wird bei der erfindungsgemäßen Kathode hoher Feldemission benutzt.

Bei einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung werden Metalle niedriger Austrittsarbeit in Form von Ionen durch ein elektrisches starkes Feld beschleunigt und darauf tief in das Innere einer gewöhnlichen einfachen Katho-

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densubstanz als Trägermaterial eingebettet. Nach dieser Ionenimplantation wird die erhaltene Kathode in die offene Luft herausgenommen. Dann wird die Kathode in einem Vakuum, vorzugsweise in einer Elektronenröhre einer Wärmebehandlung unterzogen, um Teiloxydbelege und in die Oberflächenschicht absorbierte Gase zu entfernen. Während dieser Wärmebehandlung wird die Röhre entgast und die Oberfläche der Kathode durch Diffusion der Metallionen von der Trägermaterialmasse zu der Oberfläche aktiviert.

Die Ionenimplantation wird in diesem Fall in der folgenden Weise verwirklicht: die Bariumionen werden von einem Plasma erhalten, wo das Barium wenigstens teilweise bei einer erhöhten Temperatur ionisiert ist. Bei einer intensiven Beschleunigungsspannung von beispielsweise etwa 40 kV werden die Bariumionen unter Bildung eines Strahls in eine gleichförmige Richtung orientiert. Dieser Bariumionenstrahl dringt tief in das Innere des das Kathodenträgermaterial bildenden Wolframs ein.

Die Verteilung des implantierten Bariumionengehalts ist in Fig. 4 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe von der Substratoberfläche aus verdeutlicht. Aus Fig. k entnimmt man, daß der Verteilungsscheitel in einem Abstand einwärts von der Oberfläche, d.h. nicht unmittelbar an der Oberfläche liegt und daß die Bariumionen um 1000 bis 3000 R in die Trägermasse eindringen. Dieses tiefe Ein-

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dringen ist dafür förderlich, daß die Oberfläche des Ionenimplantierten Wolframs durch die umgebenden Gasmoleküle ohne Beeinträchtigung bleibt. Somit verhält sich die Oberfläche des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Wolframs wie eine einfache Substanz. Dementsprechend bietet eine Kathode hoher Feldemission nach der Erfindung.Vorteile dadurch, daß die Kathode frei, von Verdampfung bei erhöhten Temperaturen und chemisch inert gegen Gasmoleküle ist und daß sie stabil bei verringerten Betriebsspannungen für lange Zeitspannen arbeiten kann*

Beispiele für Metalle, wie sie erfindungsgemäß für das Implantieren in ein als gewöhnliche Kathode wirkendes Trägermaterial geeignet sind, sind Alkalimetalle wie Lithium CLi), Natrium C»Na), Kalium CK) und Cäsium (Cs); Alkalierdmetalle wie Barium (Ba), Strontium CSr) und Kalzium. (Ca) und andere Metalle wie Thorium CTh) und Zirkonium CZr), Diese Metalle haben niedrige Austrittsarbeit und ionisieren leicht bei einer hohen Temperature

Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren nach der Erfindung wird die gewöhnliche Kathode aus einfacher Substanz einmal mit einem Material übersogen, das weicher als das Trägermaterial ist₉ um das Implantieren der Metalle niedriger Austrittsarbeit zu verbessern_s damit also größere Mengen an Metall' tiefer in das Trägermaterial ein«»

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dringen. Die Ionenimplantation wird dann an dem einmal überzogenen Trägermaterial vorgenommen. Als weiches Material kommen vorzugsweise Oxyde oder Carbide des Trägermaterials wie Wolfram (W), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) oder Rhenium (Re) in Frage und sollte bei erhöhten Temperaturen stabil sein, chemisch inert gegenüber Gasen unter Einschluß von Sauerstoff und auf der Trägeroberfläche beschichtbar sein.

Die erfindungsgemäßen Kathoden hoher Feldemission können im allgemeinen als Punktquelle eines Elektronenstrahls mit geringeren Betriebsspannungen verwendet, werden. Darüber hinaus finden die Kathoden ein weites Feld von Anwendungsmöglichkeiten für einen Emitter einer Elektronenröhre, insbesondere für eine Kathode einer Elektronenschleuder,

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Claims

Patentansprüche

1/ Kathode .hoher Feldemission, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial, das bei hohen Temperaturen, stabil und chemisch inert gegen Gasmoleküle unter Einschluß von Sauerstoff ist und in, das Metallionen niedriger Austrittsarbeit ,aus einem Plasma der Metallionen unter dem Einfluß

einer hohen Beschleunigungsspannung tief eingebettet sind.

2« Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ein zugespitzter Spitzenabschnitt einer geformten Kathode ist, wobei in das Trägermaterial die Metallionen unmittelbar implantiert "oder eingebettet sind.

3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß das Trägermaterial auf einen zugespitzten spitzen Abschnitt einer geformten Kathode aufgebracht und weicher als diese ist, wobei die Metallionen in das Trägermaterial eingebettet sind,

H. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bie 3, dadurch Gekennzeichnet» daß die Kathode aus einem

ORIOIMAL INSPECTED

harten Metall unter Einschluß von Wolfram, Molybdän, Tantal und Rhenium gebildet ist.

5. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Whisker unter Einschluß von Siliciumcarbid gebildet ist. . -

6. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallionen aus Alkalimetallionen wie Lithiumionen, Natriumionen, Kaliumionen und Cäsiumionen ausgewählt sind.

Z. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch- gekennzeichnet, daß die Metallionen aus Alkalierdmetallionen, nämlich Bariumionen, Strontiumionen und Kalziumionen ausgewählt sind«

.8. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallionen Thoriumionen sind.

9* Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallionen Zirkaniumionen sind.

10. Kathode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial von irgendeinem Oxyd

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von Hartmetallen"unter Einschluß von Wolfram, Molybdän, Tantal und Rhenium gebildet ist.

11. Kathode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus irgendeinem Carbid von Hartmetallen unter Einschluß von Wolfram, Molybdän, Tantal und Rhenium gebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Kathode mit hoher Feldemission, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial, das bei hohen Temperaturen stabil und gegenüber ■Gasmolekülen unter Einschluß von Sauerstoff inert ist und in das Metallionen niedriger Austrittsarbeit.aus einem Plasma der Metallionen unter dem Einfluß einer hohen Beschleunigungsspannung tief eingebettet werden.

13. Elektronenröhre, gekennzeichnet durch eine Kathode hoher Feldemission mit einem Trägermaterial, das bei hohen Temperaturen stabil und gegenüber Gasmolekülen unter Einfluß von Sauerstoff inert ist- und in das Metallionen niederiger Austrittsarbeit aus einem Plasma der Metallionen unter dem Einfluß einer hohen Beschleunigungsspannung eingebettet sind.

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