Катодолюминесцентные автоэмиссионные источники света (КИС) и их изготовление

Катoдoлюминеcцентные иcтoчники cвета (КИС)

Автoры: В.Одинoкoв, Г.Павлoв, К.Шептия

Вoпрocы coздания прoизвoдcтва, экcплуатации и утилизации энергoэффективных, экoлoгичеcки чиcтых и дешевых иcтoчникoв cвета пoка дo кoнца не решены, поcкольку лампы накаливания низкоэффективные, а газоразрядные лампы неэкологичны, так как cодержат пары ртути производcтво полупроводниковых cветоизлучающих диодов (СИД) дорого и неэкологично, а их цена доcтаточно выcока.

В качеcтве альтернативы предлагаютcя катодолюминеcцентные источники света (КИС), в конструкции и при производстве которых не используются вредные вещества, однако их энергоэффективность пока ниже, чем у газоразрядных ламп. Эксперты считают, что именно развитие нанотехнологий позволит повысить энергоэффективность чистых источников света, существенно (на 30-40%) сократить потребление электроэнергии, одновременно уменьшив на сотни миллионов тонн выброс СО₂ в атмосферу и сэкономив таким образом к 2030 году до двух миллиардов баррелей нефти.

Принцип действия КИС хороню известен по телевизионному кинескопу, который представляет собой вакуумную трубку с экраном, покрытым тремя видами люминофора со спектрами излучения в области красного, зеленого и синего цвета, возбуждаемою электронным пучком с энергией 7-10 кэВ. Эмиссия электронов осуществлялась накальным катодом с управляющей сеткой.

Многие еще хорошо помнят как «гасли» телевизоры, когда перегорали такие катоды. При длительной эксплуатации из-за разрушения катодолюминофора наблюдалось также потемнение экранов. Вероятно, эти факторы и сформировали мнение, что на основе катодолюминесценции невозможно создать конкурентоспособные источники света.

Вместе с тем, специалисты полагают, что использование современных технологий формирования новых наноматериалов и наноструктур будет способствовать существенному повышению эффективности катодолюминофоров, понижению анодного напряжения, замене «горячего» катода на экономичный «холодный» (автоэмиссионный) и созданию КИС с эффективностью, не уступающей полупроводниковый СИД, причем, по оценкам ряда экспертов, новые КИС должны быть существенно дешевле а их производство, эксплуатация и утилизация экологически чистыми.

При формировании автоэмиссионных катодов используются наноуглеродные материалы в виде порошков, объемных (терморасширенный графит, углеродные волокна) и пленочных наноуглеродных структур. Принцип работы источников света на основе наноструктурированных углеродных материалов основан на явлении автоэлектронной эмиссии, при ко юрой электроны, вылетевшие из катода под действием поля модулятора, ускоряются электрическим полем анода и, ударившись о него, возбуждают световые кванты в слое люминофора. Различные КИС с «холодными» катодами, изготавливаются по инновационной технологии наноструктурирования углеродных волокон, осуществляется в несколько этапов:

•предварительная обработки;

•формовка эмиссионной поверхности автокатода потоками ионов;

•тренировка автокатода на финишном этапе.

Важно отмстить, что в тexнологии изготовления автокатодов используются дешевые углеродные материалы, промышленно производимые в России, да и само производство КИС относительно дешево, поскольку, в отличие от СИД, здесь не используются дорогостоящие материалы и технологии.

Пленочные автокатоды формируются на основе углеродных наноструктур, выращенных методом газофазного осаждении на каталитических нанокластерах (Co, Ni и Fe). В зависимости от параметров получены различные наноструктры, которые условно называются: «ребристые», «перья», «конусы», «нанотрубы» и «нанотрубки». Исследования показали, что приемлемыми автоэмиссионными свойствами обладают «нанотрубки» и «перья», у которых достаточно низкие пороговые поля автоэмиссии - 2X4 В/мкм, однако токи порядка 100 мкА делают их пригодными в основном для использования в слаботочных приборах. Специалисты отмечают, что увеличение автоэмиссионного тока ограничено разрушением эмиссионных центров при выделении «джоулевого» тепла. Для повышения тока эмиссии электронов, необходимого для мощных источников освещения, использована инновационная разработка, а именно: умножитель потока электронов на основе вторичной эмиссии топкой алмазной сетки, с которой, благодаря ее высокой теплопроводности, можно «снимать» большие токи, принципиально недостижимые дли антикатодов. Разработка обеспечивает возможность создания мощных, практически безинерционных, осветительных приборов, причем экспериментально подтверждено, что при использовании умножительного элемента специальной конструкции удается реализовать коэффициент умножения ~30 и плотность тока в несколько ампер на см₂.

Достижение плотности тока более 50 А/см₂ возможно в двухкаскадных конструкциях или с автокатодами с плотностью тока ~1 А/см₂.

Для разработки технологических процессов и организации производства энергосберегающих источников света, в том числе полупроводниковых СИД и функциональных элементов КИС, в НИИТМ разработаны три комплекта технологического оборудования:

• комплексная установка со шлюзовой загрузкой и возможностью обработки пластин диаметром до 200 мм, в состав которой входят четыре установки: Магна ТМ-200 -магнетронное нанесение тонких пленок, Плазма ТМ-200 - реактивно-ионное ВЧ-травление; Алмаз ТМ-200 - газофазное ВЧ-осаждение, УПСА-100 СВЧ выращивание алмазных пленок;

• экономичные малогабаритные вакуумные установки дли обработки пластин до 150 мм, включающие дне установки нанесении пленок - МВУ ТМ-Магна (магнетронное распыление), МВУ ТМ-ТИС (термическое испарение), установки реактивно-ионного ВЧ-травления - МВУ ТМ Плазма-РИТ и установки термического отжига, сушки слоев и материалов - МВУ ТМ-Отжг;

• физико-термическое оборудование для работы при атмосферном и пониженном давлении (Оксид ТМ 1, Отжиг ТМ-2, Изотрон ТM-1, Изоплаз ТМ-1 и др.), обеспечивающее обработку наноматериалов и наноструктур и реализацию процессов окисления, восстановления, диффузии, эпитаксии, отжига.

В настоящее время ведется разработка новых реакторов, которые должны обеспечить обработку пластин диаметром до 450 мм и выращивание на них напоуглеродных автоэмиссиоиных структур. На пред приятии созданы либо находятся в стадии реализации следующие технологические процессы и оборудование, модернизируемое для производства СИП и КИС:

• установки Плазма ТМ-200 или МВУ ТМ Плазма-РИТ - травление подложек СИД (сапфир, SiC, Si, природный GaN), металлизация (Pf, Au, Ni, Сr и др.), диэлектриков (SiO₂, SiN_x, алмазных пленок и других материалов;

• установки Магна ТМ-200 или МВУ ТМ-Магна - нанесение и металлизация разводки, контактных площадок, напокластерных к талитических слоев и других материалов;

• установка Алмаз TM-200 - выращивание углеродных наноструктур и низкотемпературного осаждения диэлектриков (SiO₂, SiNx, SiC и др.);

• установка УПСА-100 осаждение легированных алмазных пленок для формирования умножителя потока электронов мощных КИС широкого круга других применений.

Таким образом, разработанное и производящееся НИИТМ оборудование может обеспечить реализацию основных технологических процессов производства, как полупроводниковых СИД, так и вакуумных КИС.