Диссертация (1103201), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Хорошо видно, что увеличениетемпературы роста структур приводит к смещению порога эмиссии к болеенизкому прикладываемому полю. Вольт-амперные характеристики могут бытьописаны с использованием более полной формулы Фаулера-Нордгейма 5 [69]:6623/ 2  I φ  t y7 φ ln =6.8510υyln S  β 2  1.55  10 6    E02 βE0(5)Где I — ток полевой эмиссии, S — полная область эмиссионных центров,E — локальное электрическое поле, φ — рабочая функция, которая равна 5 эВ,t(y) и υ(y) эллиптическая функция аргумента y=3.79*10 -4*(√E)/ φ, которая равна1, для простоты вычисления.

Как известно, локальное поле вблизи границыострых предметов будет усиливаться, β*E0, где β — фактор усиления поля,который зависит от геометрической формы. Электрическое поле может бытьопределенокакотношениемеждуприкладываемымнапряжениемирасстоянием между электродами. Наклон кривых Фаулера-Нордгейма позволяетопределять β и S, которые определяются из их пересечения с абсциссой.

Нарисунке 3.11 показана зависимость посчитанного фактора усиления β иплощади эмиссии S от температуры. Из рисунка видно, что кривая имеетмаксимум при 1060 °С и дальнейшее увеличение температуры приводит куменьшению фактора усиления рис. 3.11 а). В свою очередь, S монотонноувеличивается с увеличением температуры рис 3.11 б).67Рисунок 3.10 Вольт-амперные характеристики и кривые Фаулера-Нордгейма для пленок,выращенных при различных температурах.Последниеисследованиясвойствнанокристаллическогографитапоказывают, что многослойные нанотрубки, образующиеся в процессе ростауглеродных наностенок, являются основными источниками эмиссии, и ихфактор усиления намного больше, чем у углеродных наностенок [70].

Дляотдельной конической нанотрубки данный фактор может быть оценен как β NT~l/d, где l - длинна нанотрубки, d — диаметр нанотрубки. Данное утверждениеосновано на том факте, что диаметр нанотрубки намного меньше ее длины.Структурный анализ нанотрубок показывает, что нанотрубки, выращенные приразличных температурах, имеют почти одинаковый диаметр вершины ~ 5 нм.Очевидно, что диаметр нанотрубки определяется начальной стадией нуклеациии зависит от взаимодействия плазмы с подложкой и от структурных свойствнанокристаллического графита.

Механизм формирования нанотрубок выходитза рамки данного исследования. Таким образом, с помощью изменениятемпературы возможно варьировать фактор усиления единичных нанотрубок.68Рисунок 3.11 а) зависимость нормированного фактора усиления от температуры подложки, б)зависимость нормированной площади эмиссии от температуры.Для двумерных структур с высотой (h) и с характерной шириной (w),которая намного больше толщины (t), фактор усиления может быть определенкак βNT ~(h/t)n<1 [71,72]. Мы полагаем, что многостенные нанотрубки с ихбольшим аспектным отношением и с маленькой плотностью на поверхностиуглеродныхнаностенокдаютосновнойвкладвавтоэмиссионныехарактеристики наностенок и выступают как основа для нанотрубок.

Болеетого, высокая плотность углеродных наностенок приводит к экранированиюсоседних структур. Более детально эффект экранирования описан выше, гдепоказано, что изменение поверхности подложки приводит к увеличениюплотности тока. Экспериментальные результаты автоэмиссионных испытанийуглеродных наностенок без нанотрубок представлены в работах [ 73,74]. В таких69структурах плотности тока достигают от 10-3 до 10-2 мА см-2, при электрическихполях4-5В/мкм,нанокристаллическогоданноеграфита,значениевнамногокоторомменьше,присутствуючемдлянанотрубки.Уменьшение толщины отдельных углеродных листов может приводить кувеличению плотностей тока до 4-5 мА/см2 при электрических полях 4 В/мкм[75], что все равно меньше, чем для углеродных наностенок с нанотрубками.Как упоминалось выше, нанотрубки образуются на границах углеродныхнаностенок при увеличении температуры.

Одновременно с этим происходитувеличению толщины углеродных наностенок. При изучении автоэмиссионныххарактеристик, данные изменения не принимаются в рассмотрение, в связи стем, что расстояние между катодом и анодом намного больше этого изменения.Пленка нанокристаллического графита состоит из массива нанотрубок,при этом каждая нанотрубка может быть рассмотрена как индивидуальныйэмиссионный центр.

Увеличение площади эмиссии S может быть трактованокак увеличение количества нанотрубок на поверхности углеродных наностенок.Хорошо известно, что эффект экранирования играет важную роль приинтерпретацииавтоэмиссионныххарактеристиккатодов,состоящихизнитевидных нанотрубок, являющихся автоэмиссионными центрами [76].Увеличение температуры синтеза приводит к увеличению длины нанотрубок.Ожидаемо, что такое увеличение длины нанотрубок приводит к существенномуувеличению фактора усиления (режим 1010-1050 °С на риc. 3.11 а)).

При этомВАХ смещается в сторону меньшего прикладываемого поля рис. 3.19.Дальнейшее увеличение температуры приводит к увеличению роста нанотрубок(эмиссионных центров), что, в свою очередь, приводит к увеличениюавтоэмиссионной площади рис. 3.11 б). Однако такое увеличение эмиссионныхцентров приводит к уменьшению эмиссионного фактора нанокристаллическогографита из-за эффекта экранирования (диапазон 1050-1125 °C на рис. 3.11 а)).Отметим, что эффект экранирования может быть уменьшен, если расстояниемежду отдельными эмиссионными центрами равно их длине [77].70Данный результат очень важен для практического использования катодов.Для катодов с маленькой площадью эмиссии и маленьким фактором усиленияосновную роль играет прикладываемое напряжение.

Однако это не являетсянедостатком, так как прикладываемое напряжение может быть изменено,варьируярасстояниемеждукатодомианодом.Наиболееважнойхарактеристикой катодов является время жизни катода. Увеличение количестваэмиссионныхцентров приводиткуменьшению нагрузкинакаждыйэмиссионный центр. Данный факт приводит к уменьшению структурныхдефектов, возникающих в процессе испытания катодов. Более того, увеличениеплощади эмиссии приводит к компенсации маленького фактора увеличения приприкладываемых напряжениях (вставка на рис. 3.10).Результаты испытаний времени жизни катодов, выращенных при разныхтемпературах, представлены на рисунке 3.12.

Все измерения проведены вусловиях стабилизации тока при токе автоэмиссии 8 мА. При этом мыпроизводили измерение прикладываемого напряжения. Как видно из рис. 3.12а), прикладываемое напряжение растет со временем испытания катодов. Этопроисходит из-за структурных деградаций, так называемое «старение» катода.Пленки нанокристаллического графита с наименьшей площадью эмиссииподвержены наибольшему старению.

Мы видим, что структурные деградациитаких пленок резко изменяются с течением времени и достигают пробоя.Катоды, выращенные при максимальной температуре (1120 °С) и имеющиемаксимальнуюплощадьэмиссии,показываютмедленноеухудшениеавтоэмиссионных характеристик и структурных деградаций. На рис. 3.12 б)представлены результаты испытаний катодов, выращенных при температуре1120 °С. Эмиссионный ток был зафиксирован 16 мА и показывает время жизниболее 750 минут.

Старение катода может быть определено как D=(Vконечн. —Vнач.)/t, тогда кривая на рисунке 3.12 б) условно может быть разделена на триучастка. Оценки показывают, что происходит падение напряжение D=18 В/ч, втечение первого периода, и уменьшается до 7.5 В/ч при последующем71испытаниикатодов.Дальнейшееиспытаниепоказывает,чтокатодыстабилизируются и не меняют своих характеристик. Другими словами, впроцессе испытаний происходит деградация наиболее дефектных областей,послечеговсеэмиссионныецентрыимеютпримерноодинаковыехарактеристики. Время жизни пленок нанокристаллического графита зависит отрежима испытания и может достигать значения тысячи часов при токе 1 мА врежиме постоянного тока [78] и сотен минут в импульсном режиме при токах320 мА [70].72Рисунок 3.12 Временные испытания катодов.

а) измерения при фиксированном токе 8 мА, б)измерения при токе 16 мА.3.4 Выводы к Главе 3В результате проведенных исследований был разработан новый методподготовки поверхности для роста нанокристаллического графита и изученыэмиссионные свойства таких пленок. Плотность тока, которая была достигнута73для кремния n-типа, составляла 1 А/см2, для кремния p-типа данное значениесоставляет 6 А/см2 при электрическом поле 15 В/мкм. Увеличение плотноститока достигается за счет снятия эффекта экранирования структур. Данныйкомпозитный материал представляет интерес не только для создания катодов сполевой эмиссией, но и для других применений, таких как создание различныхтипов фильтров (воздушных, газовых, жидкостных).В данном разделе проведено систематическое исследование влияниятемпературысинтезананокристаллическогографитанаполучаемыеструктурные и автоэмиссионные свойства материала.

Углеродные наностенкибыли синтезированы в плазмохимическом реакторе постоянного тока безиспользования катализаторов и без создания центров нуклеации. Показано, чтоувеличение температуры в процессе синтеза приводит к увеличениюхарактерного размера углеродных наностенок и многостенных нанотрубок.Эмиссионные характеристики имеют четко выраженную зависимость оттемпературысинтеза.Увеличениетемпературысинтезаприводиткформированию большего количества эмиссионных центров и к большейстабильности материала при длительных испытаниях. Данный метод можетбыть применен для контроля автоэмиссионных характеристик получаемыхуглеродных наностенок.74ГЛАВА 4 ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УГЛЕРОДНЫХНАНОСТЕНОК4.1 Обзор литературы существующих антиотражающих покрытий.Антиотражающие покрытия, которые уменьшают отражение от различныхоптических приборов, активно исследуется в последнее время.

Данная областьактивно развивается в связи с появлением сложного оборудования, котороепозволяет создавать наноструктуры различных формы и из различныхматериалов. Иногда за основу разработки оптическихпокрытий берутсяразличные биологические объекты с низким коэффициентом отражения,которые встречаются в природе. Покрытия различных биологических объектовпозволяет лучше понять природу отражения и поглощения света.Все разрабатываемые покрытия условно можно разделить на несколькоосновных, к которым относятся: структуры микромасштаба, структуры наномасштаба, периодические структуры меньше длины волны, различные типы решеток, текстурированные/пористые поверхности, беспорядочно ориентированные структуры (нановискеры, нанолисты,нанотрубки и т.

Характеристики

Список файлов диссертации