нанотрубки (Углеродные нанотрубки), страница 8

Однослойные УНТ и жгуты из них обладают свойством индуцированиой сверхпроводимости, при которой куперовские пары, образующиеся в сверхпроводящих электродах, не распадаются при прохождении через УНТ, н собственной сверхпроводимости при температуре акела 1 К 1! 0!. В экспериментах па индуцированной свсрхправадиыости образцы однослойных УНТ и жгутов из них с электрическим сопротивлениеы 0,1...!00 кОм при коынатной температуре контактировали с бнмсталличсскнын электродами из материалов Ее/Ап и Та/Ан, обладающих саархправодящими свойствами соответственно при 1,1 и 0,4 К, Эффект индуцированной сверхпроводимости отмечен: у жгучи с сапративлениеы 65 Ом при Т = 1 К и отсутствии внешнега магнитного поля; у отдельной УНТ с сопротивлением 27 кОм, близким к обратной величине кванта проводимости />/е = 25,8 кОм, прн Т = 0,4 К и действии магнитного паля с нндукцисй 1,2 Тл параллельно контактам и перпендикулярно оси УНТ.

Критический ток прн температуре, близкой к абсолютному нулю, для жгута и УНТ составил соответственна 2,5 и 0,104 мкА (1О). Таким образом, увеличение нндукцши магнитного поля способствует снижению критической температуры перехода УНТ в свсрхпроводящес состояние.

Собственная сверхпроводимость УНТ исследована на жгутах из нескольких сотен одностенных трубок. При охлаждении УНТ до 10 К отмечен степенной рост сопротивлсння, но при 0,55 К— резкое (на два порядка) падение сопротивления. В магнитном поле с нндукцией 1 Тл при увеличении тока до 2,5 мА аномалия исчезла. Высказано мнение, что, подобна фуллеренам, интсркалираванные УНТ могут быть сверхпроводниками с более высокой температурой [1О), 2.

1. 3. 2. Э.и и оси о л и ы е с л о й от а о Эмиссионные свойства УНТ в значительной степени определяются работой выхода электрона <р. При нулевол! электрическом поле для электронов металла имеется потенциальный барьер в виде прямоугольного колодца !9), глубину которого опредешнот как !р. При приложении электрического поля высота и ширина барьера сния!лютея по мере роста напряженности поля. Становятся возможными туннельный переход электронов через барьср и возникновение автоэлектронной эмиссии (АЭ), ток которой является резко возрастающей функцией приложенного напрюкения.

Разброс в экспериментальных значениях !р обусловлсн наличием УНТ с нсзамкнутыми концами, присутствием на их поверхностях уполшнутых радикалов (см, и. 2.1.2), различной электронной структурой УНТ. полученных разнымн методами синтеза. Для графита <р = =4,4...5,0эВ, У перпендикулярных подло>яке УНТ с площадью 1 мм' при напрюкении Г= 500 В зафиксирована платность тока эмиссии/ = 2 = 50 мА/см . Результат согласуется с формулой Фаулера — 1-!ордгсйма, имеющей внд (7) где С и К вЂ” константы; !/ — напряженность электрического поля в вершинах концов панотрубок (местах выхода электронов) 40 Формула (7) справедлива при температуре эмитгера много меньше характеристической энергии Ферми для проводника и показателе экспоненты много больше единицы (8), Аналитическое описание АЭ как процесса туннелиравания электронов чсрез барьер основана на допущении об однородности фянкции распределения электронов в металле па энергиям и расположении плоской поверхности проводника псрпендикулярна вектору напряженности электрического поли.

Эмиссионные свойства УНТ проявляются при более низких значениях напряжения, чем у автоэмиссионных катодов, изготовлснных на основс макроскопических металлических острий. Это связана с эффектам усиления элекгрнчсского поля на микронсаднорадностях и выступах поверхности реального эмитгера. Вследствие этого эффекта плотность тока на 1 — 2 порядка вьпле определенной по выражению (7), При равных значениях напряженности электрического тока плотность тока существенно выше у эмиттера из УНТ, чем у металлического эмитгсра. Напряженность электрического поля в окрестностях неоднородности !/ превышаат срсднее значение его напряженности (/ вблизи поверхности проводника, определяемое как отношение падения иаприксния на промежутке !' к величине межэлекгроднога промежутка /.. Эффект усиления оценившот коэффициентом ~3=!//)', Для идеально гладкой поверхности )! = !//„ При наличии на поверхности элп!ттерв выступа в видо цилиндра со сферической головкой радиусом Л коэффициент Р - 0,2//й Поэтому значение напрлпкенности 1/' электрнчсского поля вблизи острого выступа эмиттсра с аспектным отношением /.И в 0,2/./11 раз превышает среднее по объему значение (/ (21 В приведенном выше примере, приняв радиус закругления конца УНТ 10'~ см н !р = 5 эВ, получают усиление поля (//П - 1000 !2!.

Причина большого усиления связана с существенно более высокнч аспсктиым отношением геометрических параметров острия эллитюра из УНТ (диаметр иглы равен нескольким размерам атомов углерода) по сравнению с металлическим острием. В измерениях энергии электронов, эиитируомых наноплснкой из псрпсндшгулярных подложке УНТ, установлено, что прн низких токах энергетическое распрсдолснис электронов соответствует функции, описывающей отдельные пики шириной около 0,12 эВ, наличие которых связывают с эмиссией нз отдельных УНТ. Прн повышении тока эмиссии зти пики перекрываются„причем расстояния между ними остаются иа уровне 0„1...0,2 эВ. Результат объясняют различиями в положениях дискретных электронных уровнев отдельных УНТ относительно уровня Ферми !2). У однослойных УНТ диаметром 0,8...

1,1 нм, скрученных в жгуты диаметром 10...30 нм и нанесенных на кремниевую подложку с образованием пленки толщиной 0,2...0,4 мкм„в паре с молибдсновым анодом, отстоящим от пленки иа расстоянии 15 мкм, АЭ <иблюдали при (/ = 1,6 10 В/см и,/= 0,03 А/см', чему соответствует <р = ! эВ.

Максимально достижимая плотность тока АЭ у однослойных УНТ равна 3 А/см и сопоставима с лучшими результатами для 2 алмазоподобных пленок. Считают, что АЭ многослойных УНТ диаметром 10„.30 нм в аналогичных условиях возможна при более высоких значениях напряженности электрического поля и той жс плотности тока„что и для однослойных УНТ (2). При определении <р УНТ применяют два гюдхода, зачастую приводящих к разлнчым результатам. В первом случае при обработке эмиссионных вольт-ампериых характеристик (ВАХ) УНТ возникает потребность разделения значений <р и 1), комбинировано входящих в выражение (7), Для этого используют результаты измерения распределения эмитируемых электронов по энергиям или детальную инфармацию о структуре УНТ.

При втором подходе опрсделяют спектр фотоэлектронов, эмитируемых поверхностью материала при оптическом излучении; ния<няя граница спектра соответствует значению <р ! 81 При статистической обработке зависимостей числа змитирусмых электронов от их энергии, полученных на отдельных многослойных УНТ с закрытыми крышечками концами диаметром 44 и 9 им при И=460...!100 В, определено, что <р" /Р = 3,54 10 ' эВ" м. Положение максимума в распределении эл<итируемых электронов снижается с ростом напряжения в указанных прсдслах по линейному закону с коэффициентом — 1,6 мВ/В. Для УНТ диаметром 44 нм определено р = (7,6+0,5).10 м ', <р = 7,3 + 0,7 эВ. По данным других авторов, среднее значение для одно- и многослойных УНТ <р = 5,26+ 0,85 эВ !8!. 3начение плотности тока на уровне миллиампсра на квадратю„и сантиметр достигается при напрюкенности электрического поля порядка 10 В м '(8).

установлено, что боковая поверхность УНТ служит хорошим источником АЭ, хотя плотность тока, эмитируемого с боковой поверхности, обычно нике плотности тока для крышечки. При определенных ориентациях УНТ относительно направления электрического поля вклад эмиссии с боковой поверхности УНТ в полный ток АЭ м<вкет оказаться определяющим вследствие сс большси площади (8 !. Исследования зависимости тока АЭ наиотрубок от их расположеиьш параллельно и перпендикулярно подлоя<ко, а таях<с под углом 45' к ес поверхности выполнены на многослойных УНТ дип- 3 9 метром !00...200 нл< с поверхностной плотностью 10 ...10' трубок/см, Анод — петля из медной проволоки диаметром 3 мм, распопов<еиная на расстоянии 80 мкм от эмитгсра.

Площадь поверхности, с которой реализуется эмиссия, ! мм . Пороговое значение напрюкснностп электрического поля, опредсляемое по минимальному току эмиссии 0,5 мкА, составляет 2; 3,5 и 4 В/мкм для УНТ, расположенн х паралл льна, перпендикулярно и под углом к подложке. Плотность тока эмиссии,/ = 1 мА/см". необходимая для работы гпоскнх дисплеев, достигается при напряженности электрического поля (4,2.' 6 и 6,8) 10" В/м соотвстствшшо для трех ориентаций. Низкую полевую эмисапо из продольно расположенной УНТ связывают с наличием дефектов в сс структуре.

Причиной роста порогового поля эмиссии перпендикулярно располоя<снной УНТ может служить металлическая часпща. находкщш<с» в полости концевой части трубки и препятствующая эмиссии. Наклонная УНТ имеет большую активную поверхность! 8 !. Эмиссионнь<е ВАХ зависят от поверхностной плотности УНТ. При высокой и низкой плотности наблюдаются нсмногочислсннмо источники эмиссии, случайным обрезом распрсдслснныс по поверхности. Наилучший результат достигается при промежуточной плотности; оптимальным расстоянием между УНТ является 2 икм.