Эмиссионные свойства катодов на основе углеродных нанотрубок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Бочаров, Григорий Сергеевич

• Бочаров, Григорий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочаров, Григорий Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА УНТ.

1.1. Структура нанотрубок.

1.1.1. Однослойные нанотрубки.

1.1.2. Многослойные нанотрубки.

1.1.3. Учет структуры нанотрубок.

1.2. Полевая эмиссия углеродных нанотрубок.

1.2.1 Явление автоэлектронной эмиссии.

1.2.2 Автоэлектронная эмиссия УНТ.

1.3 Работа выхода.

1.4. Выводы по разделу.

ГЛАВА 2. УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ОКРЕСТНОСТИ НАНОТРУБКИ.

2.1. Коэффициент усиления электрического поля.

2.2. Численный метод решения.

2.2.1. Постановка задачи.

2.2.2. Решение уравнения Лапласа методом простой итерации.

2.2.3. Определение напряженности поля.

2.3. Результаты вычислений.

2.4. Выводы по разделу.

ГЛАВА 3. ЭКРАНИРОВКА УНТ.

3.1. Описание эффекта экранировки.

3.2. Результаты вычислений.

3.3. Выводы по разделу.

ГЛАВА 4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ РАЗБРОС ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАССИВА УНТ.

4.1. Теоретическое описание.

4.1.1. Постановка задачи.

4.1.2. Описание метода.

4.2. Результаты вычислений.

4.2.1. Аналитическая зависимость.

4.2.2. Численные расчеты.

4.3. Выводы по разделу.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВАХ УНТ.

5.1. Физические основы.

5.2. Модель расчета.

5.3. Результаты вычислений.

5.4. Тепловая неустойчивость.

5.5. Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эмиссионные свойства катодов на основе углеродных нанотрубок»

Углеродные нанотрубки (УНТ) имеют особую структуру, состоящую из атомов углерода и отличающуюся от хорошо известных структур таких материалов, как графит либо алмаз. Форму УНТ можно описать замкнутой поверхностью в виде протяженного цилиндра, торцы которого чаще всего закрыты полусферой. Атомы углерода, расположенные на такой поверхности, являются вершинами правильных шестиугольников и пятиугольников, соединенными определенным упорядоченным образом (рис. В.1). Большой интерес к этим структурам вызван тем, что благодаря необычным физико-химическим свойствам УНТ, во-первых, являются привлекательным объектом фундаментальной науки, а во-вторых, имеют широкие перспективы прикладного использования. Среди наиболее интересных свойств УНТ в первую очередь следует назвать связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками [1] (металлические или полупроводниковые свойства). Благодаря этому нанотрубки могут составить основу для принципиально нового класса электронных приборов рекордно малых размеров. Второе важное фундаментальное свойство УНТ связано с ее высоким аспектным отношением, благодаря которому напряженность электрического поля в окрестности головки нанотрубки в сотни раз превышает соответствующую среднюю по объему напряженность электрического поля, создаваемого внешним источником. Это, в свою очередь, приводит к аномально высокому значению тока эмиссии при сравнительно низком напряжении, приложенном к УНТ [6, 7]. В результате упрощается конструкция приборов, действие которых основано на полевой автоэлектронной эмиссии. Следует отметить, что важным этапом на пути практической реализации автоэмиттеров на основе УНТ стало создание методов выращивания двумерных матриц хорошо упорядоченных УНТ на большой специально подготовленной поверхности подложки [2]. Это позволило придать процессу изготовления больших микросхем, в том числе холодных катодов на основе УНТ, характер фабричного производства. Практическая реализация указанных методик привела к созданию конкурентоспособных плоских кинескопов и катодно-лучевых источников света с катодами на основе УНТ, обладающих высокими рабочими характеристиками. Также можно отметить возможность использовать УНТ в качестве уникальной емкости для хранения веществ, находящихся в газообразном, жидком либо твердом состоянии [3]. Чрезвычайно привлекательны для прикладных целей механические свойства УНТ, которые обладают аномально высокой прочностью на растяжение и изгиб, что позволяет применить их в качестве активных элементов измерительных устройств, определяющих нанометровую структуру поверхностей [4]. Таким образом, область возможных применений УНТ в научных исследованиях и современных технологиях необычайно широка [5].

В данной работе рассматривается одно из наиболее продвинутых направлений, связанное с исследованием и использованием УНТ в качестве источника автоэлектронной эмиссии.

Уже первые эксперименты [6, 7] продемонстрировали уникальные эмиссионные характеристики УНТ, обусловленные их двумя основными свойствами — высоким аспектным отношением и хорошей электропроводностью. В силу этих особенностей достаточно высокие л плотности тока автоэлектронной эмиссии (на уровне ЮА/м) из катодов, содержащих УНТ, наблюдаются при относительно низких значениях приложенного напряжения (~ 1 ООО В при межэлектродном расстоянии в доли миллиметра).

Целью диссертации является исследование физических эффектов, определяющих процесс автоэлектронной эмиссии катодов на основе УНТ и установление оптимальных условий их эксплуатации.

Для определения поставленной цели в работе рассмотрены следующие задачи:

- создание математического аппарата, описывающего формирование электрического поля в окрестности нанотрубок, входящих в массив;

-определение оптимальной плотности эмиттеров на катоде с учетом явления экранировки;

- установление роли статистического разброса параметров индивидуальных эмиттеров на основе УНТ в формировании эмиссионной вольт-амперной характеристики (ВАХ) катода;

- нахождение предельного тока эмиссии УНТ, ограниченного тепловыми эффектами.

Последовательное решение перечисленных задач дало возможность автору данной работы описать основные эмиссионные свойства холодных катодов на основе УНТ.

Научная новизна роботы:

- создана физическая и математическая модель процесса автоэлектронной эмиссии массива УНТ.

-разработана компьютерная программа по расчету напряженности электрического поля для массива УНТ, что позволило рассчитать коэффициент усиления электрического поля для нанотрубок, входящих в данный массив;

-получена аналитическая зависимость, описывающая ВАХ катода на основе УНТ с учетом влияния статистического разброса геометрических размеров нанотрубок входящих в массив. Эта зависимость существенно отличается от традиционно используемой зависимости Фаулера-Нордгейма в области малых значений приложенного напряжения и хорошо соответствует многим экспериментальным данным.

- проведено комплексное исследование влияния эффекта экранировки нанотрубок, входящих в массив УНТ, что позволило определить оптимальную плотность эмиттеров в массиве, обеспечивающую максимальное значение эмиссионного тока;

- установлен и исследован механизм ограничения тока эмиссии катодов на основе УНТ, связанный с температурной зависимостью эмиссионных свойств нанотрубки; показано, что существует предельное значение тока эмиссии, соответствующее порогу возникновения тепловой неустойчивости процесса эмиссии, которая сопровождается изменением механизма эмиссии и термическим разрушением нанотрубки.

Практическая значимость работы:

Полученные в работе результаты и методы, развитые для их установления, могут быть использованы при разработке холодных полевых эмиттеров на основе УНТ и оптимизации режимов их работы.

Внедрение результатов работы:

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в качестве исходных данных для количественного описания предельных рабочих характеристик при проектировании катодов на основе УНТ.

Апробация диссертации:

Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на 30,31 Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения» (МАТИ, Москва, 2004, 2005 г.г.), 1, 2, 3, 4 Курчатовской молодежной научной школе (РНЦ«КИ», Москва, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.), 10, 11, 12, 13 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, Москва, 2004, 2005,2006, 2007 г.г.).

Публикации:

Результаты исследований изложены в 16 печатных работах, из них 2 - в журнале, рекомендованном к размещению публикаций Высшей аттестационной комиссией (ВАК), 2 - в иностранных изданиях, 12 работ (аннотации работ, тезисы докладов, сборники трудов) на международных конференциях. Основные результаты диссертации получены в соавторстве, автору принадлежат математические модели и результаты численных расчетов.

Вклад автора:

Создание компьютерных программ для численного решения поставленных в диссертации задач, выполнении численных расчетов, интерпретации полученных данных.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 96 страницах и иллюстрированных 18 рисунками, 2 таблицами, а также списка литературы из 48 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Бочаров, Григорий Сергеевич

5.5. Выводы по разделу

Установлен и исследован механизм ограничения тока эмиссии катодов на основе УНТ, связанный с температурной зависимостью эмиссионных свойств нанотрубки. Указанное ограничение имеет характер тепловой неустойчивости, которая проявляется в неограниченном возрастании температуры эмиттера при превышении определенного значения тока эмиссии. На основании решения уравнения теплопроводности для индивидуальной нанотрубки при различных модельных температурных зависимостях коэффициентов теплопроводности и электропроводности нанотрубки получены значения предельных токов эмиссии как функция абсолютного значения ее электропроводности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проводилось исследование эмиссионных свойств холодных катодов на основе углеродных нанотрубок (УНТ). В работе были решены следующие задачи:

1. Вычислены зависимости коэффициента усиления электрического поля в окрестности головки УНТ от параметров индивидуальной нанотрубки и массива из УНТ на основе специально разработанной программы;

2. Установлено влияние эффекта экранировки нанотрубок в массиве и на границе массива УНТ на эмиссионные характеристики массива. Результаты расчетов используются для определения оптимального значения плотности нанотрубок в эмиттере, обеспечивающего максимальное значение плотности тока эмиссии катода на основе УНТ;

3. Установлено влияние статистического разброса геометрических параметров индивидуальных нанотрубок на эмиссионные характеристики реальных катодов. Получена аналитическая зависимость, являющаяся обобщением известной зависимости Фаулера-Нордгейма, которая соответствует результатам многих экспериментов.

4. Установлен и исследован механизм тепловой неустойчивости, ограничивающий использование катодов на основе УНТ в области больших напряжений. Этот механизм определяет предельные значения автоэмиссионного тока, обусловленные нагревом УНТ и является причиной термического разрушения УНТ.

Таким образом, в данной работе установлено, что хотя ВАХ индивидуальной нанотрубки, входящей в состав эмиссионного катода, хорошо соответствует классической зависимости Фаулера-Нордгейма, соответствующая характеристика массива УНТ может существенно отличаться от указанной функции. Так, эффект экранирования УНТ снижает коэффициент усиления электрического поля в окрестности нанотрубки и ограничивает плотность эмиттеров в массиве. Статистический разброс параметров УНТ в массиве приводит к существенному отклонению ВАХ массива от зависимости Фаулера -Нордгейма в области малых напряжений. Эмиссионные свойства УНТ ограничены областью относительно невысоких токов в связи с тепловыми эффектами, имеющими характер неустойчивости и приводящими к термическому разрушению эмиттеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочаров, Григорий Сергеевич, 2007 год

1. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки // УФН. 1997. - Т. 167. - С. 945972.2. , Ren Z. F. Huang Z. P., Xu J. W. et al. Synthesis of Large Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on Glass // Science. 1998. - V. 282. - P. 1105-1107.

2. Dillon A. C., Bekkedahl T. A., Jones К. M., etal. Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes // Nature. 1997. - V. 386. - P. 377-378.

3. CalverP. Nanotube composites: A recipe for strength // Nature. 1999. -V. 399.-P. 210-211.

4. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // УФН. 2002. - Т. 172. - С. 401-438.

5. Chernozatonskii L.A., Gulyaev Yu.V., Kosakovskaja Z.Ja., et al. Electron field emission from nanofilament carbon films // Chem. Phys. Lett. 1995. -V233. - P 63-68.

6. De Heer W. A., Chatelain A., Ugarte D. A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source // Science. 1995. - V. 270. - P. 1179-1180.

7. HamadaN., OshiyamaA., SawadaS. New one-dimensional conductors: Graphitic microtubules //Phys. Rev. Lett. 1992. - V. 68. - P. 1579-1581.

8. IijimaS., IchihashiT. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter // Nature. 1993. - V. 363. - P. 603-604.

9. ThessA., Nikolaev P., LeeR. etal. Crystalline Ropes of Metallic Carbon Nanotubes // Science. 1996. - V. 273. - P. 483-487.

10. Baxendale M. etal. Intercalation into carbon nanotubes // Carbon. 1996. -V. 34. -P. 1301-1303.

11. YudasakaM. etal. Specific conditions for Ni catalyzed carbon nanotube growth by chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett. 1995. - V. 67.- P. 2477-2479.

12. RuoffR. S., DonaldC., TersoffJ. etal. Radial deformation of carbon nanotubes by van der Waals forces // Nature. 1993. - V. 364. - P. 514-515.

13. YorikawaH., Muramatsu S. Electronic properties of semiconducting graphitic microtubules // Phys. Rev. B. 1994. - V. 50. - P. 12203-12206.

14. Kokkorakis G. C., Modinos A., Xanthakis J. P. // J. Appl. Phys. 2002. - V. 91.- P. 4580-4584.

15. Булашевич К. А., Роткин В. В. Приборы на нанотрубках: микроскопическая модель // Письма в ЖЭТФ. 2002. - Т. 75. - С. 239-244.

16. GomerR. Field Emission and Field Ionization New York: AIP. 1993.- 535 p.

17. Ландау JI. Д., ЛифшицЕ. M. Электродинамика сплошных сред М.: ГИТТЛ.- 1957.-736 с.

18. Добрецов JI. Н., ГомоюноваМ. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука. 1966.-564 с.

19. Sinitsyn N.I. et al. Thin films consisting of carbon nanotubes as a new material for emission electronics // Appl. Surf. Sci. 1997. - V. 111. - P. 145-150.

20. FransenM. J., KruitP., vanRooyTh. L. Field emission energy distributions from individual multiwalled carbon nanotubes // Appl. Surf. Sci. 1999. -V. 146. -P. 312-315.

21. Suzuki S., Bower C., Watanabe Y Work functions and valence band states of pristine and Cs-intercalated single-walled carbon nanotube bundles // Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 76. - P. 4007-4009.

22. Chen P., Sun X., Wu X. et al. Electronic structure and optical limiting behavior of carbon nanotubes // Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 82. - P. 2548 - 2551.

23. Ago H., Franco C., Kugler T. et al. Work functions and surface functional groups of multiwall carbon nanotubes // J. Phys. Chem. B. 1999. -V. 103. -P. 8116-8118.

24. Shiraishi M., Hinokuma K., Ata M. The measurement of work function of carbon nanotubes // in Electronic Properties of Novel Materials Molecular

25. Nanostructures: XIV Intern. Winterschool/Euroconf. Austria. 2000 (AIP Conf. Proc., V. 544, Eds. Kuzmany H., et al.). Melville. N. Y.: AIP. 2000. -P. 356-362.

26. Bonard J. M., Chatelain A., Foorro L. et al. Field emission from single-wallcarbon nanotube films // Appl. Phys. Lett. 1998. - V. 73. - P. 918-920.i

27. Волков А. П., Кузнецов В. JI., Образцов А. Н. Роль кривизны атомных слоев в полевой эмиссии электронов из графитоподобного наноструктурированного углерода // Письма в ЖЭТФ. 1999. - V. 69. - Р. 381382.

28. Бочаров Г.С., Елецкий А.В. Исследование эффекта усиления электрического поля для холодных катодов на основе углеродных нанотрубок // I Курчатовская молодёжная научная школа, Сборник трудов. М.: РНЦ«КИ». -2004.-С. 122-126.

29. Крылов В.И. Вычислительные методы М.: Наука. 1976. - Т. 1. - 304 с.

30. Nilsson L. et al. Scanning field emission from patterned carbon nanotube films // Appl. Phys. Lett. 2000, V. 76, P. 2071-2073.

31. Бочаров Г.С., Елецкий А.В. Влияние экранировки на эмиссионные характеристики холодных полевых катодов на основе углеродных нанотрубок // ЖТФ. 2005. - Т. 75. - С. 126-130.

32. Bocharov G.S., Eletskii A.V., Korshakov A.V. Emission characteristic of carbon nanotube-based cathodes // Rev. Adv. Mater. Sci. 2003. - V. 5. - P. 34-40.

33. Bocharov G.S., Eletskii A.V., Pal A.F. et al. Emission characteristics of CNT-based cathodes // Electronic properties of synthetic nanostructures, edited by H. Kuzmany et al. American Institute of Physics. Melville. New York. 2004. -P. 528-531.

34. Yoshimoto Т., et al. Emission Properties from Carbon Nanotube Field Emitter Arrays (FEAs) Grown on Si Emitters // Jap. J. Appl. Phys. 2001, V. 40, pt.2 L983.

35. Matsumoto K., Kinosita S., Gotoh Y. et al. Ultralow biased field emitter using single-wall carbon nanotube directly grown onto silicon tip by thermal chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 78. - P. 539-540.

36. Han I.T., Jang J. E., Jung J. E. et al. Fabrication and characterization of gated field emitter arrays with self-aligned carbon nanotubes grown by chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett. 2002. - V. 81. - P. 2070-2072.

37. Wadhawan A., Perez J. M., StallcupR.E. etal. Effects of 02, Ar, and H2 gases on the field-emission properties of single-walled and multiwalled carbon nanotubes // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 79, - P. 1867-1869.

38. Guillorn M.A. et al. Integrally gated carbon nanotube field emission cathodes produced by standard microfabrication techniques // J. Vac. Sci. Technol. В 2003. -V.21.-P. 957-959

39. Bonard J.M., Coll B.F., Dean K. A. et al. Degradation and failure of carbon nanotube field emitters // Phys. Rev. B. 2003. - V. 67. - P. 115406.

40. Бочаров Г.С., Елецкий А.В. Тепловая неустойчивость холодной полевой1эмиссии углеродных нанотрубок // ЖТФ. 2007. - Т. 77. - С. 107-112.

41. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике М.: Наука. 1987. - 502 с.

42. Journet С., Purcell Т., Vincent P. S. et al. Modelization of resistive heating of carbon nanotubes during field emission // Phys. Rev. B. 2002. - V. 66. - P. 075406.

43. Sveningsson M. et al. Quantifying temperature-enhanced electron fieldemission from individual carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 2005. - V. 72.i-P. 085429.

44. Kim P. L., MajumdarA., McEuenP. L. Thermal Transport Measurements of Individual Multiwalled Nanotubes // Phys. Rev. Lett. 2001. - V. 87. - P. 215502.

45. Dian-lin Z., Lu L., Pan W. et al. Linear specific heat of carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1999. - V. 59. - P. R9015-R9018.

46. Tarkiainen R, Ahlskog M, Zyuzin A et al. Transport in strongly disordered multiwalled carbon nanotubes// Phys. Rev. В 2004. - V.69. - P033402.

47. Горбачев В. В., Спицына J1. Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия. 1976. - 368 с.1. РИСУНКИ1. Диаметр , нм

48. Рис. 1.2. Модели поперечных структур многослойных нанотрубок:а) "русская матрешка".б) шестигранная призма.в) свиток.

49. Табл. 1. Значение тэаботы выхода -электоона УНТ

50. Тип нанотрубок Диаметр, нм Метод измерения Работа выхода, эВ Литература

51. Многослойные 44 I 7,3±0,7 21.

52. Однослойные 1,0-1,4 II 4,65±0,1 22.

53. Однослойные 1,4 II 4,8 23.1. Многослойные II 5,7 24.1. Многослойны II 4,3 25.

54. Многослойные 10 II 4,95 26.1. Однослойные 1,4 I 5,1 27.

55. Многослойные 10-50 I 0,2-2 28.

56. Рис. 2.1. Граничные условия для уравнения Лапласа1 стеклянные пластины.2 матрица нанотрубок с металлической подложкой.3 разделяющие пластины.4 матрица люминофора.

57. Рис. 2.2. Координатная сетка для оси ОХ и OY

58. Рис. 2.3. Координатная сетка для оси OZkZllmax — limn 0ll I Iя