W ostatnich latach ze względu na gwałtowny rozwój nano-

technologii obserwuje się wzrost zainteresowania wykorzys-

taniem zjawiska emisji polowej z nanostruktur węglowych do

konstrukcji źródeł promieniowania elektromagnetycznego. Ka-

tody skonstruowane z nanostruktur węglowych charakteryzują

się wysoką wydajnością emisyjną, stabilnością pracy, szyb-

kim startem emisji oraz niskim zużyciem energii. Emitery węg-

lowe charakteryzują się wysoką gęstością prądu przy

stosunkowo niskiej próżni (10

-6

mbar) [1-7]. Lampy z zimną

katodą znajdują szerokie zastosowanie w elektronice, rzadziej

spotyka się propozycje rozwiązań polegających na zastoso-

waniu zimnej katody w elementach oświetleniowych. Takie

rozwiązania mogą być stosowane w wyświetlaczach mało-

i wielkoekranowych, w elementach oświetleniowych, a także

w świetlnych tablicach informacyjnych. Szczegółowe infor-

macje na temat wykorzystania w konstrukcjach źródeł światła

włókien węglowych można znaleźć w pracach [8,9], zaś na-

norurek w pracach [10,11].

Lampy fluorescencyjne z zimną katodą

W ramach współpracy Instytutu Tele- i Radiotechnicznego (ITR)

w Warszawie oraz Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach ba-

dane są możliwości wykorzystania heterostrukturalnych warstw

węglowych z nanokrystalitami metali w optoelektronice.

Warstwy tego typu zostały opracowane w ITR. Warstwy te są

intensywnie badane od szeregu lat w ITR zarówno pod wzglę-

dem charakteryzacji ich struktury jak i pod względem ich właś-

ciwości fizycznych i chemicznych. Budowę przykładowej

warstwy zastosowanej w katodach opisywanych lamp przed-

stawia rys. 1. Obrazy badanej struktury z transmisyjnego mi-

kroskopu elektronowego (TEM) pokazują złożoną budowę

kompozytową warstwy, przy czym w skład tego nanokompo-

zytu wchodzi: 1) faza węgla w postaci nano- i mikroziaren węg-

lowych o różnej postaci alotropowej, 2) faza nanokrystalitów

metalu (np. niklu). Stwierdzono, że tego typu warstwy wyka-

zują zimną emisję elektronów o charakterystykach zależnych

od ilości, rodzaju i struktury nanoziaren metalu [12]. Właści-

wości oraz sposób otrzymywania tych warstw został szcze-

gółowo opisany między innymi w pracach [13-15].

Opracowano dwa różniące się konstrukcją prototypy lamp

fluorescencyjnych z zimną katodą. Nowatorskim rozwiąza-

niem jest użycie nanostrukturalnych warstw węglowych do-

mieszkowanych niklem do konstrukcji zimnej katody. Anodę

lamp stanowi ekran fluorescencyjny. W zależności od użytego

luminoforu można uzyskać świecenie o różnej barwie i inten-

sywności. Sposób wykonania zimnej katody został opisany

wcześniej [15], zaś sposób generacji zimnych elektronów

w takiej lampie został opatentowany przez ITR.

W konstrukcji pierwszej założono, że poszczególne ele-

menty lampy (katoda, anoda) będą wymienialne, w związku

z tym nie zastosowano związku chemicznego pochłaniającego

gazy resztkowe. Odległość katoda anoda wynosi w przy-

bliżeniu 1cm, zaś próżnia wewnątrz lampy jest rzędu 10

-6

mbar

i jest utrzymywana dynamicznie. W tym wypadku anoda po-

Nowe lampy próżniowe - źródła światła

na zimnych katodach nanokrystalicznych

dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ

1

, dr hab. MAŁGORZATA SUCHAŃSKA

2

,

mgr CZESŁAW KILISZEK, mgr inż. STANISŁAW WASZUK, mgr inż. JUSTYNA KĘCZKOWSKA

2

,

HALINA WRONKA

1

, ALEKSANDER ZAWADA

1

1

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa

2

Politechnika Świętokrzyska, WEAiI, Kielce

Rys. 1. Obraz TEM typowej warstwy nanokompozytowej

składającej się z węgla i niklu. Strzałkami zaznaczono wybrane na-

nokrystality Ni

Fig.1. TEM image of typical heterostructural carbonaceous films

containing Ni nanocrystallites. Ni nanocrystallites are marked with

arrows

Rys. 2. Schemat konstrukcji lampy fluorescencyjnej z zimną ka-

todą: 1 - ekran szklany pokryty warstwa metalu, 2 - luminofor,

3 - nanokompozytowa katoda, 4 - rurka do podłączenia pompy

próżniowej, U

zas

- napięcie zasilania. Linia przerywana oznacza

miejsce szlifu próżniowego, łączącego dwie części obudowy lampy

Fig. 2. Scheme of vacuum fluorescent tube with cold cathode:

1- glass screen covered with metallic film, 2 - phosphor, 3 - cathode

with nanocomposite film, 4 - pipe connecting with vacuum pump,

U

zas

- supplying voltage. Broken line depicts place of the vacuum

cutting connecting two parts of tube

16

ELEKTRONIKA 1/2009

kryta była luminoforem trójpasmowym o wskaźniku oddawania

barw R

a

≥ 80, klasy 1b. Schemat konstrukcji lampy zawiera

rys. 2. Zaobserwowano silną emisję światła w zakresie wi-

dzialnym, która utrzymywała się przez wiele godzin przy na-

pięciu podtrzymującym 0,8 kV. Na rys. 3 zaprezentowano

wiele zdjęć przedstawiających świecenie luminoforu w różnych

momentach pracy lampy. Analizę parametrów pracy lampy, w

sensie pomiarów emisji polowej elektronów z nanostruktural-

nej katody opisano w pracy [16].

Typ konstrukcji lampy pierwszej uniemożliwiał wykonanie

szczegółowych pomiarów parametrów świetlnych źródła, w

związku z tym skonstruowano lampę nierozbieralną zamkniętą

na stałe i zawierającą geter. Konstrukcja ta umożliwia prze-

prowadzenie wielu pomiarów charakteryzujących lampę. Ze

względu na nierozbieralność lampy i zastosowanie geteru ba-

rowego uzyskano odpowiednie dla podtrzymania emisji polo-

wej warunki próżniowe (rzędu 10

-6

mbar). W tej konstrukcji

katoda była wykonana z nanokompozytowej warstwy węg-

lowo-niklowej, zaś anodę stanowił szklany ekran z luminofo-

rem wąskopasmowym (tlenek itru) o maksimum emisji

626 nm. Przeprowadzono pomiary emisji światła z luminoforu

wzbudzonego do świecenia elektronami emitowanymi z zimnej

katody. Zaobserwowano emisję światła widzialnego o barwie

czerwonej. Przeprowadzone pomiary spektralne (rys. 4) po-

twierdzają charakterystykę emisyjną użytego luminoforu [17].

Pomimo niższej wydajności emisyjnej heterostruktural-

nych nanokompozytowych warstw węglowo-niklowych, w po-

równaniu z emiterami węglowymi wykonanymi z włókien

węglowych czy nanorurek węglowych, materiały te charakte-

ryzuje duża stabilność emisji polowej, szybki start emisji przy

niższych wartościach pola elektrycznego (nawet od 1 V/µm)

oraz powtarzalność procesu nawet po wystawieniu katody na

działanie powietrza.

Podsumowanie

Lampy fluorescencyjne z zimną katodą zbudowaną z nano-

kompozytowych warstw węglowo-niklowych mogą znaleźć za-

stosowanie w systemach optoelektronicznych. Nasze badania

potwierdzają możliwość uzyskania światła o różnej barwie w

zależności od użytego luminoforu, dzięki temu lampy te mogą

być wykorzystywane między innymi w systemach oświetlenio-

wych, wyświetlaczach czy optoelektronicznych systemach syg-

nalizacyjnych. Niewątpliwą ich zaletą jest niskie zużycie energii

Rys. 4. Charakterystyka widmowa lampy typu drugiego, dla zasila-

nia lampy napięciem 2,5 kV

Fig. 4. Spectral characteristic of the tube of second type, for supp-

lying voltage 2.5 kV

Rys. 3. Zdjęcia świecącej lampy (typu pierwszego) z różnych mo-

mentów emisji: a) chwila początkowa, b) - d) kolejne zdjęcia zro-

bione w coraz dalszych odstępach czasu

Fig. 3. Snapshot for tube emitting visible light: a) first moment,

b) - d) later moments

c)

d)

a)

b)

ELEKTRONIKA 1/2009

17

oraz szybki start emisji elektronów. Niebagatelne znaczenie ma

również fakt, że w przeciwieństwie do klasycznych lamp fluo-

rescencyjnych (z rtęcią) są one przyjazne dla środowiska.

Autorzy dziękują dr hab. P. Dłużewskiemu oraz dr M. Kozło-

wskiemu za wykonanie zdjęcia TEM.

Literatura

[1] Lea C.: J. Phys. D., Appl. Phys. 6 (1973) 1105.

[2] Huczko A.: Nanorurki węglowe. BEL Studio, Warszawa 2004.

[3] Amaratunga G. A. J., Silva S. R. P.: Appl.Phys.Lett.,68(1996)2529.

[4] Geiss W. L., Twichell J. C., Macaulay J., Okano K.: Appl. Phys.

Lett., 67(1995)1328.

[5] Chernozatonskii L. A., Gulayev Y. V., Kosakovskaja Z. J., Shinit-

syn N. I., Torgashov G. V., Zakharchenko Y. F., Fedorov E.A.,

Valchuk V. P.: Chem.Phys.Lett.,233(1995)63.

[6] Busta H.H.: J. Appl. Phys.,82(1997)5148.

[7] Baturin A. S., Yeskin I. N., Trifanov A. I., Chadaev N. N., Sheshin

E. P., Tchesov R. G.: J. Vac.Sci.&Techno., B21(1) (2003) 354.

[8] Leshukov M.Yu. et al.: Applied Surface Science 215 (2003) 260.

[9] Chen J. et al.: Ultramicroscopy 95 (2003) 81.

[10] Knapp W. et al.: Vacuum 69 (2003) 339.

[11] Saito Y. et al.: Appl. Phys. A 67(1998) 95.

[12] Adydan M., Sobański J., Czerwosz E.: Elektronika vol. 2, (2006) 28.

[13] Czerwosz E.: Elektronika 1 (1998)17-21.

[14] Czerwosz E.: Elektronika 11 (1999) 20-24.

[15] Czerwosz E.: Prace Naukowe Elektronika “Technika Próżni

i Technologie Próżniowe”, z. 153 (2005) 41.

[16] Czerwosz E., Waszuk S., Suchańska M., Kęczkowska J.: Bul-

letin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences. vol.

56 (2) (2008) 117.

[17] Czerwosz E., Kęczkowska J., Różowicz A., Suchańska M.: Prze-

gląd Elektrotechniczny 8 (2008) 203.

Metoda elementów skończonych (MES) w zastosowaniu

do nanokrystalicznych warstw węglowo-palladowych

otrzymywanych metodą PVD

mgr Joanna RYMARCZYK

1,2

dr inż. MIROSŁAW KOZŁOWSKI

1

, dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ

1,2

1

Instytut Tele- i Radiotechniczny w Warszawie,

2

Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach

Nanostrukturalne warstwy charakteryzują się unikatowymi

własnościami w porównaniu z konwencjonalnymi powłokami.

Szczególnie dotyczy to odpowiednich właściwości mecha-

nicznych, termicznych, powierzchniowych, optycznych lub ak-

tywności chemicznej i biologicznej. Dynamiczny rozwój

nowych technologii oraz miniaturyzacja powodują wzrost

możliwości wytwarzania nowych nanomateriałów, co stwarza

nowe możliwości ich zastosowania w różnego typu urządze-

niach. Jednym z ciekawych materiałów są kompozytowe

warstwy nanostrukturalne węglowo-palladowe. Warstwy takie

mogą znaleźć szerokie zastosowanie, na przykład w detekto-

rach służących do wykrywania wodoru i jego związków w sta-

nie gazowym i ciekłym, przy składowaniu wodoru oraz

w elementach sensorów biologicznych. Detektory służące do

pomiaru stężenia gazów, mają szerokie zastosowanie głównie

w technologiach przemysłowych oraz w badaniach skażenia

środowiska. Oprócz wysokiej czułości na małe stężenia

gazów powinny charakteryzować się odpornością na zmiany

warunków otoczenia takie jak temperatura oraz agresywne

czynniki chemiczne.

W tym artykule zostały przedstawione wyniki prac związa-

nych z modelowaniem struktury takich kompozytowych na-

nokrystalicznych warstw węglowo-palladowych oraz ich

własności termicznych i mechanicznych.

Metoda otrzymywania i właściwości

warstw

Technologia otrzymywania nanostrukturalnych warstw węg-

lowo-palladowych została opracowana w Instytucie Tele- i Ra-

diotechnicznym. W zależności od parametrów procesu takich

jak temperatura podłoża, temperatury źródeł, odległości źró-

deł od podłoża powstaje warstwa złożona z nanokrystalitów

metalu umieszczonych w matrycy węglowej [1]. Na rys. 1

przedstawiony jest obraz z elektronowego mikroskopu trans-

misyjnego (TEM) fragmentu warstwy palladowo-węglowej,

którą tworzy matryca węglowa i osadzone w niej nanokrysta-

lity palladu.

Modelowanie struktury oraz właściwości

Uzyskiwane warstwy mają właściwości uzależnione od

kształtu i rozmiaru nanocząsteczek palladu, sposobu prze-

strzennego rozmieszczenia ich w węglowej matrycy, po-

wierzchni właściwej oraz energii powierzchniowej. Ze względu

Rys. 1. Zdjęcie TEM warstwy węglowo-palladowej

Fig. 1 TEM image of carbonaceous-palladium film

18

ELEKTRONIKA 1/2009