Влияние экранирования на эмиссионные свойства катода на основе углеродных нанотрубок

нанотехнологии

Важнейшей особенностью углеродных нанотрубок (УНТ), определяющей возможность их эффективного использования в качестве основы холодных полевых эмиссионных катодов, является их способность усиливать электрическое поле. Это свойство обусловлено чрезвычайно высоким аспектным отношением (отношением длины к диаметру), присущим УНТ.

Поскольку ток полевой эмиссии характеризуется экспоненциальной зависимостью от напряженности электрического поля на поверхности катода, то катоды на основе УНТ являются источниками достаточно высоких токов при относительно небольших величинах приложенного напряжения. Однако естественное стремление повысить плотность тока подобного эмиттера за счет увеличения поверхностной плотности нанотрубок наталкивается на ограничение, обусловленное явлением электростатического экранирования УНТ.

В самом деле, высокий коэффициент усиления электрического поля, величина которого порядка аспектного отношения эмиттера, реализуется только в случае, когда нанотрубки, образующие катод, расположены достаточно далеко друг от друга. Однако в этом случае плотность тока эмиссии относительно невелика. Уменьшение среднего расстояния между нанотрубками приводит, с одной стороны, к увеличению плотности эмиттеров, а с другой стороны - к снижению коэффициента усиления индивидуальных УНТ вследствие эффекта экранирования. При плотном сближении нанотрубок эффект усиления поля вовсе пропадает, а вместе с ним пропадают преимущества нанотрубок в качестве источника эмиссии. В этом случае катод эмитирует как плоский эмиттер. Таким образом, плотность тока эмиссии характеризуется немонотонной зависимостью от среднего расстояния между индивидуальными нанотрубками. Расчеты показывают, что максимальная величина плотности тока эмиссии достигается при расстоянии между нанотрубками, составляющем примерно половину их высоты.

Более сложный характер экранирования наблюдается в весьма распространенном случае, когда эмиттер состоит не из изолированных УНТ, а из жгутов, каждый из которых включает в себя несколько десятков нанотрубок.

Рис. 1. Зависимость плотности тока эмиссии индивидуального жгута УНТ от его диаметра.

Математическое моделирование такой ситуации наталкивается на значительные вычислительные трудности, поэтому основным источником информации в этом случае является эксперимент. Недавно группа специалистов из университетов штатов Орегон и Вашингтон (США) выполнила детальные экспериментальные исследования явления усиления электрического поля катода, составленного из жгутов УНТ различного диаметра при наличии эффекта экранирования. 320 индивидуальных вертикально ориентированных жгутов высотой около 100 мкм и диаметром 120, 60, 30 и 15 мкм размещали регулярным образом на подложке размером 3600х3600 мкм на расстоянии 200 мкм друг от друга. Нанотрубки выращивали на кремниевой подложке методом CVD в потоке Н2 + С2Н2 при температуре 700оС с использованием катализатора на основе железа. Диаметр жгута определялся размером частицы катализатора. Индивидуальные нанотрубки, образующие жгуты, имели диаметр 10–15 нм, состояли из 5–7 графитовых слоев и располагались в среднем на расстоянии около 50 нм друг от друга. При исследовании эмиссионных свойств катода в качестве анода использовали цилиндрический вольфрамовый зонд диаметром 150 мкм с плоской вершиной. Тем самым площадь поверхности анода значительно превышала поперечное сечение любого жгута, однако его диаметр оставался меньше расстояния между жгутами. Измерения эмиссионного тока производили при межэлектродном расстоянии 100 мкм. Результаты выполненных измерений, представленные на рис. 1, указывают на сильную зависимость вольт-амперных характеристик эмиттера от диаметра жгута. Чем меньше диаметр жгута, тем при меньшем приложенном напряжении наблюдается эмиссия. Обработка представленных характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма приводит к величинам коэффициента усиления электрического поля β = 602, 639, 1013, 1726 и 2425 для жгутов диаметром 400, 120, 60, 30 и 15 мкм, соответственно.