俄罗斯科学院V.A.Kotelnikov无线电工程和电子学研究所萨拉托夫分院的科学家，以N.G.Chernyshevsky和NPP Almaz命名的萨拉托夫国立研究州立大学首次发现了在电极间间隙的电压极性变化时恢复金刚石石墨阴极的效果，这将产生更耐用的太赫兹发射器。

掌握电磁波在微波和红外范围之间的太赫兹（THz）范围是电子学发展的关键问题之一。 相干太赫兹辐射源在安全（爆炸物的远程探测）、用于高速数据传输的无线信息和通信系统、射电天文学、光谱学、医学等领域具有广阔的应用前景。 掌握THz范围有多种方法，例如，使用固态或量子电子器件。 然而，为了达到几十瓦及以上的功率水平，电真空装置（EVP）是最佳的。

EVP的可靠性和耐久性在很大程度上取决于阴极的特性，即电子发射源。 目前，世界上生产的大多数Evp都使用热离子金属多孔阴极（MPCs）。 然而，MPC的耐用性不够高。 热阴极的其它缺点包括长的准备时间和低的最大电流收集密度。

改进THz带器件的一个有希望的方向是用场阴极替代热离子阴极。 场发射是传导体在足够高强度的外部电场的影响下发射电子。 在场阴极中，电子克服了发射极边界处的势垒，而不是由于热运动的动能，即不是由于阴极加热的结果，如热离子发射，而是通过量子隧穿通过外部电场减少的势垒。 当然，不需要加热的阴极可以更长更可靠地使用。



用于制造这种类型阴极的最有前途的材料之一是纳米碳膜结构，特别是金刚石石墨纳米复合材料，其是石墨基质，其中嵌入金刚石纳米晶体。 在这项研究中，沉积在polycore（刚玉基陶瓷）板上的厚度约为100nm的金刚石薄膜结构被用作场阴极。

对金刚石石墨阴极的操作的调查在8个测试周期期间进行，总持续时间超过13.5小时。 在测试期间，模拟了电源电压和真空泵设施紧急关闭的条件。



上图显示了在(曲线1)和(曲线2)8个测试循环之前测量的阴极的电流-电压特性(VAC)。 尽管存在与电源电压周期性断开和真空恶化相关的不利因素，但在测试期间阴极的场发射率没有恶化。

然而，该研究表明，阴极的部分碳相在操作过程中降解并沉积在阳极上。 在实验过程中，在阳极上施加了相对于阴极为负的电压，即阴极实际上变成了阳极，阳极变成了阴极，即电子源。 之后，根据通常的操作方案再次向该对施加电压并测量阴极VAC。



上图显示了在（1）和（2）发射材料从阳极到阴极的沉积之前阴极VAC的变化。 发现回收后阴极发射能力的改善。 积极效应表现在场发射开始阈值的降低和VAC曲线陡度的增加，这允许在较低的电场强度下获得类似的电流。 这种效应首次被发现。

这种效应既可用于创建具有改进的发射特性的场阴极，也可用于在作为EVP的一部分的长期操作期间恢复其发射能力。 该研究结果可用于预测场金刚石-石墨电子源的使用寿命。

有关更多信息，参见文章"基于纳米复合金刚石-石墨膜结构的高电流场电子源的耐久性"，R.K.Yafarov，A.V.Storublev，"Microelectronics"，2022，T.51，第2期，第95-100页。

RAS网站编辑委员会