Nowe lampy próżniowe - z
ródła światła
na zimnych katodach nanokrystalicznych
dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ1, dr hab. MAA
GORZATA SUCHAC
SKA2,
mgr CZESA
AW KILISZEK, mgr inż. STANISA
AW WASZUK, mgr inż. JUSTYNA K
CZKOWSKA2,
HALINA WRONKA1, ALEKSANDER ZAWADA1
1
Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa
2
Politechnika Świętokrzyska, WEAiI, Kielce
W ostatnich latach ze względu na gwałtowny rozwój nano- dem charakteryzacji ich struktury jak i pod względem ich właś-
technologii obserwuje się wzrost zainteresowania wykorzys- ciwości fizycznych i chemicznych. Budowę przykładowej
taniem zjawiska emisji polowej z nanostruktur węglowych do warstwy zastosowanej w katodach opisywanych lamp przed-
konstrukcji z
ródeł promieniowania elektromagnetycznego. Ka- stawia rys. 1. Obrazy badanej struktury z transmisyjnego mi-
tody skonstruowane z nanostruktur węglowych charakteryzują kroskopu elektronowego (TEM) pokazują złożoną budowę
się wysoką wydajnością emisyjną, stabilnością pracy, szyb- kompozytową warstwy, przy czym w skład tego nanokompo-
kim startem emisji oraz niskim zużyciem energii. Emitery węg- zytu wchodzi: 1) faza węgla w postaci nano- i mikroziaren węg-
lowe charakteryzują się wysoką gęstością prądu przy lowych o różnej postaci alotropowej, 2) faza nanokrystalitów
stosunkowo niskiej próżni (10-6 mbar) [1-7]. Lampy z zimną metalu (np. niklu). Stwierdzono, że tego typu warstwy wyka-
katodą znajdują szerokie zastosowanie w elektronice, rzadziej zują zimną emisję elektronów o charakterystykach zależnych
spotyka się propozycje rozwiązań polegających na zastoso- od ilości, rodzaju i struktury nanoziaren metalu [12]. Właści-
waniu zimnej katody w elementach oświetleniowych. Takie wości oraz sposób otrzymywania tych warstw został szcze-
rozwiązania mogą być stosowane w wyświetlaczach mało- gółowo opisany między innymi w pracach [13-15].
i wielkoekranowych, w elementach oświetleniowych, a także Opracowano dwa różniące się konstrukcją prototypy lamp
w świetlnych tablicach informacyjnych. Szczegółowe infor- fluorescencyjnych z zimną katodą. Nowatorskim rozwiąza-
macje na temat wykorzystania w konstrukcjach z
ródeł światła niem jest użycie nanostrukturalnych warstw węglowych do-
włókien węglowych można znalez
ć w pracach [8,9], zaś na- mieszkowanych niklem do konstrukcji zimnej katody. Anodę
norurek w pracach [10,11]. lamp stanowi ekran fluorescencyjny. W zależności od użytego
luminoforu można uzyskać świecenie o różnej barwie i inten-
Lampy fluorescencyjne z zimną katodą sywności. Sposób wykonania zimnej katody został opisany
wcześniej [15], zaś sposób generacji zimnych elektronów
W ramach współpracy Instytutu Tele- i Radiotechnicznego (ITR) w takiej lampie został opatentowany przez ITR.
w Warszawie oraz Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach ba- W konstrukcji pierwszej założono, że poszczególne ele-
dane są możliwości wykorzystania heterostrukturalnych warstw menty lampy (katoda, anoda) będą wymienialne, w związku
węglowych z nanokrystalitami metali w optoelektronice. z tym nie zastosowano związku chemicznego pochłaniającego
Warstwy tego typu zostały opracowane w ITR. Warstwy te są gazy resztkowe. Odległość katoda anoda wynosi w przy-
intensywnie badane od szeregu lat w ITR zarówno pod wzglę- bliżeniu 1cm, zaś próżnia wewnątrz lampy jest rzędu 10-6 mbar
i jest utrzymywana dynamicznie. W tym wypadku anoda po-
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, Uzas - napięcie zasilania. Linia przerywana oznacza
miejsce szlifu próżniowego, łączącego dwie części obudowy lampy
Rys. 1. Obraz TEM typowej warstwy nanokompozytowej
Fig. 2. Scheme of vacuum fluorescent tube with cold cathode:
składającej się z węgla i niklu. Strzałkami zaznaczono wybrane na-
1- glass screen covered with metallic film, 2 - phosphor, 3 - cathode
nokrystality Ni
with nanocomposite film, 4 - pipe connecting with vacuum pump,
Fig.1. TEM image of typical heterostructural carbonaceous films
Uzas - supplying voltage. Broken line depicts place of the vacuum
containing Ni nanocrystallites. Ni nanocrystallites are marked with
cutting connecting two parts of tube
arrows
16 ELEKTRONIKA 1/2009
a)
kryta była luminoforem trójpasmowym o wskaz
niku oddawania
barw Ra e" 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 z
ródła, 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-
b)
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/�m)
c)
oraz powtarzalność procesu nawet po wystawieniu katody na
działanie powietrza.
d)
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
Podsumowanie
Lampy fluorescencyjne z zimną katodą zbudowaną z nano-
kompozytowych warstw węglowo-niklowych mogą znalez
ć za-
stosowanie w systemach optoelektronicznych. Nasze badania
potwierdzają możliwość uzyskania światła o różnej barwie w
Rys. 3. Zdjęcia świecącej lampy (typu pierwszego) z różnych mo-
zależności od użytego luminoforu, dzięki temu lampy te mogą
mentów emisji: a) chwila początkowa, b) - d) kolejne zdjęcia zro-
być wykorzystywane między innymi w systemach oświetlenio-
bione w coraz dalszych odstępach czasu
Fig. 3. Snapshot for tube emitting visible light: a) first moment, wych, wyświetlaczach czy optoelektronicznych systemach syg-
b) - d) later moments
nalizacyjnych. Niewątpliwą ich zaletą jest niskie zużycie energii
ELEKTRONIKA 1/2009 17
[6] Busta H.H.: J. Appl. Phys.,82(1997)5148.
oraz szybki start emisji elektronów. Niebagatelne znaczenie ma
[7] Baturin A. S., Yeskin I. N., Trifanov A. I., Chadaev N. N., Sheshin
również fakt, że w przeciwieństwie do klasycznych lamp fluo-
E. P., Tchesov R. G.: J. Vac.Sci.&Techno., B21(1) (2003) 354.
rescencyjnych (z rtęcią) są one przyjazne dla środowiska.
[8] Leshukov M.Yu. et al.: Applied Surface Science 215 (2003) 260.
[9] Chen J. et al.: Ultramicroscopy 95 (2003) 81.
Autorzy dziękują dr hab. P. Dłużewskiemu oraz dr M. Kozło-
[10] Knapp W. et al.: Vacuum 69 (2003) 339.
wskiemu za wykonanie zdjęcia TEM.
[11] Saito Y. et al.: Appl. Phys. A 67(1998) 95.
[12] Adydan M., Sobański J., Czerwosz E.: Elektronika vol. 2, (2006) 28.
Literatura
[13] Czerwosz E.: Elektronika 1 (1998)17-21.
[14] Czerwosz E.: Elektronika 11 (1999) 20-24.
[1] Lea C.: J. Phys. D., Appl. Phys. 6 (1973) 1105.
[15] Czerwosz E.: Prace Naukowe Elektronika  Technika Próżni
[2] Huczko A.: Nanorurki węglowe. BEL Studio, Warszawa 2004.
i Technologie Próżniowe , z. 153 (2005) 41.
[3] Amaratunga G. A. J., Silva S. R. P.: Appl.Phys.Lett.,68(1996)2529.
[16] Czerwosz E., Waszuk S., Suchańska M., Kęczkowska J.: Bul-
[4] Geiss W. L., Twichell J. C., Macaulay J., Okano K.: Appl. Phys.
letin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences. vol.
Lett., 67(1995)1328.
[5] Chernozatonskii L. A., Gulayev Y. V., Kosakovskaja Z. J., Shinit- 56 (2) (2008) 117.
syn N. I., Torgashov G. V., Zakharchenko Y. F., Fedorov E.A.,
[17] Czerwosz E., Kęczkowska J., Różowicz A., Suchańska M.: Prze-
Valchuk V. P.: Chem.Phys.Lett.,233(1995)63.
gląd Elektrotechniczny 8 (2008) 203.
Metoda elementów skończonych (MES) w zastosowaniu
do nanokrystalicznych warstw węglowo-palladowych
otrzymywanych metodą PVD
mgr Joanna RYMARCZYK1,2 dr inż. MIROSA
AW KOZA
OWSKI1, dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ1,2
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 znalez
ć 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
Rys. 1. Zdjęcie TEM warstwy węglowo-palladowej
gazów powinny charakteryzować się odpornością na zmiany
Fig. 1 TEM image of carbonaceous-palladium film
warunków otoczenia takie jak temperatura oraz agresywne
czynniki chemiczne. deł od podłoża powstaje warstwa złożona z nanokrystalitów
W tym artykule zostały przedstawione wyniki prac związa- metalu umieszczonych w matrycy węglowej [1]. Na rys. 1
nych z modelowaniem struktury takich kompozytowych na- przedstawiony jest obraz z elektronowego mikroskopu trans-
nokrystalicznych warstw węglowo-palladowych oraz ich misyjnego (TEM) fragmentu warstwy palladowo-węglowej,
własności termicznych i mechanicznych. którą tworzy matryca węglowa i osadzone w niej nanokrysta-
lity palladu.
Metoda otrzymywania i właściwości
warstw Modelowanie struktury oraz właściwości
Technologia otrzymywania nanostrukturalnych warstw węg- Uzyskiwane warstwy mają właściwości uzależnione od
lowo-palladowych została opracowana w Instytucie Tele- i Ra- kształtu i rozmiaru nanocząsteczek palladu, sposobu prze-
diotechnicznym. W zależności od parametrów procesu takich strzennego rozmieszczenia ich w węglowej matrycy, po-
jak temperatura podłoża, temperatury z
ródeł, odległości z
ró- wierzchni właściwej oraz energii powierzchniowej. Ze względu
18 ELEKTRONIKA 1/2009