Исследование структурных и автоэмисионных характеристик нанографитных холодных катодов (1103283), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Описаны примерыпрактического применения автоэмиссионных катодов на основе углеродныхматериалов.В первом параграфе представлены общие сведения по автоэлектроннойэмиссии из металлов и полупроводников. Приведены основные положения теорииФаулера-Нордгейма (ФН), описывающей АЭ из плоских металлических эмиттеровкак процесс туннелирования электронов в вакуум в результате уменьшенияпотенциального барьера на границе металл-вакуум под действием сильноговнешнегоэлектрического поля [1]. Основным выводом из данной теории являетсяформула ФН, связывающая плотность тока, J, эмитированных электронов снапряженностью поля, Е. Согласно данной формуле заметное значение J достигаетсялишь при Е порядка 1 В/нм, что приводит к необходимости приложения высокихнапряжений порядка десятков киловольт.
Для снижения напряжения на практикеиспользуются острийные и лезвийные эмиттеры, форма которых обеспечиваетконцентрацию силовые линийэлектрического поля у окончания эмиттера. Такоелокальное усиление поля приводит к возникновению АЭ при существенно болеенизких напряжениях по сравнению с плоскими эмиттерами.В параграфе рассмотрены некоторые особенности АЭ из наноразмерныхэмиттеров, с радиусом острия порядка нескольких нанометров, для которыххарактерны низкие значения порогового поля и рекордно высокие значениямаксимальной плотности АЭ тока [2]. Показано, что в настоящее время не существуетполной теории АЭ из наноэмиттеров, ввиду сложности описания данного явления дляних.Во втором параграфе представлено описание физических и структурныхсвойств различных наноуглеродных материалов и некоторых особенностей АЭ изних.
Ранее в ходе экспериментальных исследований было показано, что дляавтокатодов на основе углеродных наноматериалов характерна АЭ электронов сособенно высокой эффективностью, проявляющейся в низких значениях пороговыхполей, высоких значениях максимальных плотностей тока, высокой стабильности ипр. [3, 4]. При этом было обнаружено, что экспериментально наблюдаемыезависимости в ряде случаев не могут быть объяснены в рамках теории АЭ ФН, чтотребует проведения их дополнительного изучения.В третьем параграфе описаны основные методы создания АЭ катодов наоснове наноуглеродных материалов.
Представлена методика аэрозольного ростауглеродных нанотрубок, в качестве нового метода, позволяющего снизить количествопримесей в готовом продукте [5]. Также представлены результаты ранеепроводившихся исследований по получению нанографитных пленок с помощьюконденсации углерода из газовой фазы. Пленки, получаемые этим методом безиспользования катализаторов, не содержат неуглеродных примесей, и катоды на ихоснове могут быть использованы непосредственно после синтезе без предварительнойочистки [4]. Кроме этого, непосредственный рост нанографитной пленки наповерхности подложки обеспечивает хороший электрический и механическийконтакт отдельных кристаллитов графита с подложкой, что положительносказывается на потенциальной стабильности таких катодов.В четвертом параграфе рассмотрены основные причины нестабильностиработы автоэмиссионных катодов, приводящие к изменению их структурных и АЭхарактеристик с течением времени.
Показано, что катоды на основе наноуглеродныхматериалов позволяют получать стабильную АЭ в течение длительного времени, засчет высокой механической прочности и химической инертности, обусловленныхвысокой энергией связи между атомами углерода [6, 7].Пятый параграф посвящен примерам практического применениянаноуглеродных холодных катодов в составе различных электровакуумных приборов.На основании анализа литературных данных делается вывод, чтонаноуглеродные холодные катоды являются привлекательными для применения вразличных устройствах в качестве источников электронов.
Однако, несмотря напроведенные многочисленные исследования, до настоящего времени остаетсяневыясненным ряд важных научных проблем, связанных с взаимосвязью АЭ соструктурными характеристиками наноуглеродных материалов, а также смеханизмами изменения этих структурных характеристик под воздействиемразличных факторов. Выявленные нерешенные проблемы служат основанием дляформулировки целей и задач работы.Во второй главе представлено описание экспериментальных методик,использованных в диссертационной работе. Описаны методы получениянанографитных материалов, методы изучения их состава и структурных свойств,методы модификации поверхности, а также методы исследования АЭ характеристик.В первом параграфе описаны методики получения исследуемыхнанографитных материалов – нанографитных пленок (НГ), одностенных углеродныхнанотрубок (ОУНТ) и графена.
НГ пленки были получены методом конденсацииуглерода на поверхность подложки из кремния или никеля из смеси газов СН 4 и Н 2 ,активированной разрядом постоянного тока. Такие пленки состоят из кристаллитовграфита нанометровой толщины – наностенок, ориентированных преимущественноперпендикулярно подложке (Рис.1.). Характерные размеры наностенок составляют 15 мкм в высоту и 5-10 нм в толщину.
На поверхности пленки присутствуют такжеуглеродные наносвитки острийной формы высотой порядка 1-10 мкм, представляющиесобой скрученные листы графена.а)Рис.1.(а) Изображение нанографитнойпленки, полученное с помощью растровогоэлектронного микроскопа (РЭМ). (б) РЭМизображение наносвитка на поверхностипленки.б)Пленки ОУНТ были получены аэрозольным методом в университете Аальто(Хельсинки, Финляндия).
Пленки состоят из переплетенных между собой нанотрубокдиаметром от 0,6 до 2 нм и длиной до 10 мкм (Рис.2.).Рис.2. РЭМ изображение пленки ОУНТ[5].В качестве графеновых пленок использовались образцы, приобретенные вwww.graphene-supermarket.ru, которые были изготовленыс помощью методаконденсации углерода из смеси газов Н 2 и СН 4 на медные подложки (Рис.3.). Готовыепленки переносились на диэлектрические подложки из кварца.Рис.3. РЭМ изображение графенана медной подложке [8].Во втором параграфе описаны методики изготовления образцов катодов дляисследования их АЭ свойств. НГ пленки исследовались непосредственно послесинтеза. ОУНТ, осажденные на нитроцеллюлозный фильтр, механическипереносились на кремниевые пластины размером 1×1 см2.
Пленки графена,находящиеся на диэлектрических подложках, механически раскалывались на частиразмером порядка 0,5 – 2,5 см в ширину и 1-2 см в длину. Исследование АЭ свойствапроводилось с края свежего скола графена.В третьем параграфе представлены методы исследования АЭ свойств катодов.Макроскопические характеристики катодов исследовались в конфигурации с плоскиманодом, представляющим собой стеклянную пластину спроводящей пленкой ITO ислоем катодолюминофора.
Исследование АЭ характеристик катодов проводилось приподаче постоянного напряжения с источника Keithley 248 или импульсногонапряжения. Для измерения тока эмиссии использовался пикоамперметр Keithley6485. Исследование микроскопических эмиссионных характеристик катодовпроводилось в сканирующем автоэмиссионном микроскопе (SAFEM), где роль анодавыполнял вольфрамовый зонд. При сканировании на зонд подавалось положительноенапряжение до 500 В и производилось измерение АЭ тока в пределах от 1 нА до500 нА.В четвертом параграфе описаны методики исследования состава иструктурно-морфологических свойств катода, проведенные с использованиемспектрометра комбинационного рассеяния света (КРС) Ramanor U1000 Jobin Yvon ирастрового электронного микроскопа (РЭМ) JEOL JSM 7600F.В пятом и шестом параграфе описаны методики модификации поверхностинанографитных катодов с помощью термического окисления и атомно-слоевогоосаждения. Термическое окисление катодов проводилось при фиксированнойтемпературе в воздушной атмосфере.
Атомно-слоевое осаждение оксида титана, TiO 2 ,на поверхность нанографитной пленки проводилось на оборудовании Beneq TFS 500при температуре 120 °C с использованием прекурсоров TiCl 4 и H 2 O.В седьмом параграфе описана методика компьютерного моделирования,используемого в работе для численного анализа, с применением пакета ComsolMultiphysics.Третья глава диссертационной работы посвящена экспериментальномуисследованию АЭ из ОУНТ, графена и НГ пленок. В первом параграфе описанырезультаты исследования автоэмиссии из ОУНТ, полученных аэрозольным методом.Исследование показало, что для нанотрубок характерна достаточно эффективная АЭ,пороговое поле эмиссии составляет порядка 1-2,5 В/мкм (при плотности тока0,1 мА/см2), плотность распределения эмиссионных центров n ~ 104-105 см-2.
Данныезначения соответствуют типичным значениям для ОУНТ, полученных другимиметодами [3]. Отличительной особенностью АЭ из нанотрубок являлось наличиезначительного гистерезиса на вольтамперных характеристиках (ВАХ) при прямом иобратном ходе напряжения, хорошо воспроизводимого припоследовательныхизмерениях (Рис.4).
Согласно литературным данным, обычно такого рода эффектыобъясняются процессами адсорбции/десорбции остаточных газов на поверхностьпленки [9]. Однако измерения, проведенные в ходе данной работы при различномдавлении (10-6 - 10-4 Торр), не показали существенных изменений в размере и формегистерезиса.Рис. 4. Типичная ВАХ пленки ОУНТ.В результате проведенных исследований было показано, что возможнойпричиной наблюдаемого гистерезиса может являться обратимое изменениеморфологии пленки под действием электростатического поля. Трубки, связанныепервоначально с другими трубками в пленке адгезионными силами, могутмеханически подниматься и вытягиваться под действием пондеромоторных сил. Врезультате этого увеличивается коэффициент усиления поля и возрастает количествоэмиссионных центров, а также общая плотность тока АЭ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
