Исследование структурных и автоэмисионных характеристик нанографитных холодных катодов (1103283), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При уменьшениинапряжения ниже некоторого значения силы упругости, возникающие примеханической деформации нанотрубок, оказываются больше пондеромоторных сил ипленка частично возвращается в исходное состояние. Подобный механизмвозникновения гистерезиса в ВАХ, основанный на обратимых структурныхдеформациях, происходящих в пленках при приложении поля, предложен также вработе [10] при исследовании автоэмиссии из массивов многостенных углеродныхнанотрубок.Во втором параграфе описаны результаты экспериментального исследованияАЭ из пленок графена большой площади, находящихся на диэлектрическихподложках. На рисунке 5а представлена типичная ВАХ, полученная для свежегоскола пленки графена.
Одной из особенностей ВАХ является наличие гистерезиса,выражающееся в различии значений тока при последовательном прямом и обратномходе напряжения, воспроивзодимого при многократных последовательныхизмерениях. При измерении тока АЭ при постоянном значении напряжениинаблюдался стабильный АЭ ток вплоть до значения, соответствующего линейнойплотности тока 0,5 мА/см (Рис.5б). При этом на катодолюминесцентном экраненаблюдалось порядка 10-20 отдельно различимых эмиссионных центров. Такимобразом, был оценен максимальный АЭ ток с одного центра составляющий 2550 мкА.Измерения, проведенные при различном уровне давления остаточных газов вкамере (Рис.6а), а также при предварительном прогреве образца при температуре400 ˚С, в результате которого происходило удаление адсорбатов с поверхностипленки (Рис.
6б), не показали существенных различий в эмиссионной способностиграфена. Таким образом, наблюдаемый гистерезис в ВАХ графена не может бытьобъяснен с точки зрения процессов адсорбции/десорбции остаточных газов.а)б)Рис.5.(а) Типичные ВАХ со свежего скола графеновой пленки. Межэлектродноерасстояние d=500 мкм. Стрелками показано направление изменения напряжения впроцессе снятия ВАХ. На вставке картина распределения эмиссионных центров. (б)Зависимость тока АЭ от времени (V=300 В, d = 500 мкм).Возможной причиной гистерезиса может являться отрыв края пленки отдиэлектрической подложки под действием пондеромоторной силы, которая принекотрой величине поля может превысить адгезионные силы сцепления графена скварцевой подложкой.
Отрыв пленки повышает коэфициент усиления поля на краюграфена, что приводит к увеличению АЭ тока.а)б)Рис.6. (а) Зависимость автоэмиссионного тока от времени (V=600 В) при изменениидавления остаточных газов; (б) ВАХ графеновой пленки до и после прогрева катода.В третьем параграфе представлены результаты исследования АЭ из катодовна основе НГ пленок.
На рисунке 7 приведены типичные ВАХ и картинараспределения эмиссионных центров для НГ пленки. Пороговое поле АЭ для такихпленок составляет величину порядка E=1-2 В/мкм (при плотности тока 0,1 мА/см2),плотность распределения эмиссионных центров n~105 см-2.Исследования отдельныхэмиссионных центров, проведенное с помощью SAFEM показало, что стабильный АЭток с единичного центра наблюдается вплоть до значения I=10 мкА (Рис. 7б).а)б)Рис.7. (а) Типичная ВАХ и картина распределения эмиссионных центров для НГпленки 1×1 см2; (б) График зависимости АЭ тока от времени для отдельногоэмиссионного центра (d=18 мкм, U=433 В).В четвертом параграфе проведено сравнительное исследование АЭ свойствразличных материалов на основе графита. Показано, что для нанографитныхматериалов характерна высокоэффективная АЭ с низкими значениями пороговогополя, высокой стабильностью тока, обусловленной механической прочностью,препятствующей их быстрому разрушению под действием пондеромотрных сил,нагрева эмиттеров высоким током и ионной бомбардировки.
Однако, в случаеграфена и углеродных нанотрубок, наблюдаемый гистерезис в ВАХ, связанный смеханической гибкостью образцов, может снижать стабильность АЭ свойств этихматериалов. Отсутствие подобных эффектов для случая нанографитных пленокположительно выделяет их в ряду исследованных в данной работе и описанных влитературе нанографитных материалов.Четвертая глава диссертационной работы посвящена результатамисследований зависимости свойств нанографитных автокатодов от параметроввнешней среды и некоторых других видов воздействия на материал, реализуемых впроцессе их эксплуатации.
В первом параграфе проведено исследование влиянияостаточных газов и длительности работы нанографитных катодов на их структуру иАЭ свойства. Показано, что при давлении, P, 10-5 Торр и ниже наблюдаетсястабильный АЭ ток в течение времени порядка одного часа. При P выше10-5 Торрпроисходит падение АЭ тока со временем до уровня, пропорционального давлению(Рис.8).Рис.8. Зависимость плотности АЭтока из НГ пленки от времени приразличном давлении остаточныхгазов (U = 1200В, d = 400 мкм).Процесс падения АЭ тока описывается суммой двух экспоненциальныхзависимостей J (t ) = J 0 + J 1e − t / T + J 2 e − t / T с характерными временами Т 1 и Т 2 ,пропорциональными начальному АЭ току и логарифму давления, ln(P) (Рис.9).
Привозвращении к начальному давлению 10-5 Торр происходит частичное восстановлениеАЭ тока до уровня, на котором закончился первый быстрый процесс деградации современем Т 1. Процесс восстановления также описывается экспоненциальной1−t / T2зависимостью J ( t ) = J 0 − J 3 e 3 с характерным временем Т 3 , пропорциональнымначальному уровню тока.Таким образом, при АЭ в условиях низкого уровня давления (менее 105Торр) со временем происходят как обратимые, так и необратимые изменения в АЭспособностях катода.
Необратимыми изменения могут быть вызваны процессамиионной бомбардировкой поверхности катода. Обратимые изменения могут бытьсвязаны с адсорбцией атомов и молекул остаточных газов на поверхность пленки.Исследование АЭ свойств НГ катода при его длительной работе проводилосьв конфигурации с плоским сеточным анодом и расположенным параллельно катодутак, что в эмиссии участвовала лишь часть катода, расположенная непосредственнопод сеткой. Исследования показали, что плотность АЭ тока уменьшалась со временем(Рис.10), при этом процесс падения АЭ тока описывался суммой двухэкспоненциальных зависимостей, что совпадало с измерениями, проведенным привысоком уровне вакуума.a)б)Рис.
9. Зависимость плотности АЭтока от времени для НГ пленкипри: (а) поддержании давления науровне P = 3×10-3 Торр и U = 750 В;(б) после откачки до P=10-5Торр иU = 750 В.РЭМ исследование, проведенное для образцов после деградации их АЭсвойств, показало, что в той области, которая участвовала в эмиссии, РЭМизображение оказывается ярче, чем для области, не участвовавшей в АЭ (Рис.11а.).На спектрах КРС, зарегистрированных для областей подверженных деградации, приэтом наблюдается уширение пиков и увеличение интенсивности пика D=1350 см-1,связанного с количеством дефектов в образце (Рис.11а). Значительное уширение Dлинии и изменение яркости РЭМ изображения в режиме вторичных электроновможет свидетельствовать о появлении аморфной фазы углерода на поверхностикатода.Рис. 10. Зависимость плотности АЭтока из НГ катода от времени.Это подтверждается восстановлением спектров КРС после термическогоокисления образцов при температуре 400 ˚С, в результате которого происходилоудаление аморфного углерода.
При этом выравнивались яркости РЭМ изображений(Рис.11б). Однако последующего восстановления АЭ способности катода непроизошло.Таким образом, в результате АЭ при низком уровне вакуума и придолговременной АЭ происходят как обратимые, так и необратимые изменения АЭсвойств катода. Необратимые изменения вызваны частичным разрушением материалакатода под действием процессов ионной бомбардировки, в результате которого наповерхности катода возникает аморфная углеродная фаза. Отсутствие видимыхизменений в структуре катода говорит о том, что происходит локальное разрушениеатомной структуры наиболее интенсивных эмиссионных центров, которое сложнозафиксировать экспериментально из-за малого размера этих областей и ихотносительно небольшого количества.а)б)Рис. 11. РЭМ изображения, полученные в режиме вторичных электронов, и КРСспектры областей подверженной и не подверженной деградации (а) до процедурыокисления; (б) после термического окисления при Т=400 оС.Во втором параграфе описаны результаты экспериментального исследованиявлияния термического окисления при температуре от 300 до 800 ˚С на структурные иАЭ свойства НГ катодов.
Показано, что термическое окисление приводит кобразованию отверстий на поверхности наностенок (Рис.12а). При этом в КРСспектре наблюдается уменьшение D-линии, свидетельствующее об удалениидефектных областей. Несмотря на видимые изменения в структуре НГ пленок, АЭсвойства катодов не изменяются при температурах до 600 ˚С(Рис.12б).а)в)б)Рис.12. (а) КРС спектр и (б) РЭМ изображение НГ пленки, полученные послетермического окисления при температуре T=650 оС; (в) ВАХ для НГ катода до ипосле термического окисления при T=550 оС.При T=650 ˚С происходит выгорание наноалмазного слоя, находящегося междуНГ пленкой и кремниевой подложкой, в результате чего пленка теряет контакт сподложкой и отслаивается от нее под действием поля.
Таким образом, окисление приданных температурах приводит к необратимой деградации катода. При T=800 ˚Спроисходит полное удаление графитной фазы пленки.В третьем параграфе проведено исследование влияния нанесения тонкихслоев оксида титана (TiO 2 ) различной толщины на поверхность НГ пленок на их АЭсвойства. Показано, что АЭ свойства пленок ухудшаются с увеличением толщиныслоя, W (Рис.13). Однако значительные изменения в эмиссионной способностинаблюдаются лишь при W более 150 нм. Нанесения тонких пленок без существенныхпотерь в эмиссионных способностях катода может использоваться с цельюувеличения стабильности работы таких катодов.РЭМ исследование пленок с нанесенным слоем TiO 2 , показало, что наностенкиоказываются полностью покрытыми оксидом титана, тогда как на поверхностинаносвитков образуются отдельные сферические частицы, увеличивающиеся вдиаметре с ростом толщины слоя TiO 2 и образующие сплошное цилиндрическоепокрытие вокруг основания наносвитка (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
