Холодные полевые катоды на основе углеродных нанотрубок (УНТ) обладают выдающимися эмиссионными свойствами, что связано с высоким аспектным отношением УНТ и их хорошей электропроводностью. Одно из наиболее перспективных применений таких катодов связано с разработкой плоских мониторов, отличающихся низким уровнем потребляемой мощности по сравнению с традиционно используемыми термоэмиссионными катодами и пониженным напряжением питания по сравнению с холодными катодами на основе металлических эмиттеров. В связи с этим в настоящее время во многих лабораториях мира ведутся интенсивные исследования, направленные на разработку холодных катодов на основе УНТ. Целью этих исследований является максимально возможное повышение коэффициента усиления электрического поля, проявляемого индивидуальными эмиттерами и снижение пороговой напряженности электрического поля на эмиттере, обеспечивающей необходимую плотность тока эмиссии.
Недавно группа исследователей Zhengzhou Univ., (Zhengzhou, China) [1], разработала конструкцию полевого эмиссионного катода на основе УНТ, удовлетворяющую сформулированным выше требованиям. Это достигнуто благодаря специальной структуре подложки, а также в результате использования оригинальной процедуры роста УНТ. В качестве подложки использовали монокристаллическую пластинку из нанопористого кремния, подвергнутую травлению в плавиковой кислоте с небольшой добавкой нитрата железа. Образованная в результате травления поверхностная структура содержала матрицу столбиков нанопористого кремния (рис. 1а). Эту матрицу помещали в кварцевую трубку, где проводили синтез УНТ методом термического CVD. Согласно этой процедуре, печь нагревали до 820◦C в потоке чистого H2. Затем поток водорода при той же температуре заменяли на смесь H2:N2 в объемном отношении 3:7, в смесь вводили раствор ферроцена в ксилоле (концентрация 0.015 г мл−1) со скоростью 0.2 мл мин−1. Процесс синтеза продолжался 15 мин. Затем поток газовой смеси заменяли на чистый азот, и печь естественным образом охлаждали до комнатной температуры.
Микроизображения подложки, покрытой многослойными УНТ, показаны на рис. 1b-1d. Типичная длина нанотрубок составляет несколько мкм, а диаметр достигает 40 нм. По длине УНТ наблюдаются многочисленные гранулы, которые представляют собой наночастицы железа, образовавшиеся в результате разложения ферроцена и играющие роль катализатора при синтезе УНТ.
Эмиссионные вольтамперные характеристики катода (рис. 2) измеряли в условиях вакуума 6x10−5 Па при межэлектродном расстоянии 270 мкм. Площадь катода составляла 1.0´1.5 см2. Пороговая напряженность электрического поля, обеспечивающая плотность тока эмиссии 2 мкA см−2, составила 0.56 В мкм−1. Восстановленная на основании этой зависимости величина коэффициента усиления электрического поля (в предположении, что работа выхода электрона порядка 5 эВ) оказалась ~25000Э, что существенно превышает измеренные ранее величины. Столь высокий коэффициент авторы объясняют присутствием в образце наночастиц железа, которые снижают работу выхода электрона и увеличивают эффективную величину коэффициента усиления электрического поля.
А.В.Елецкий
1. X.J. Li, W.F. Jiang, Nanotechnology 18, 065203 (2007).
