высокоэффективные холодные эмиттеры на основе

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ХОЛОДНЫЕ ЭМИТТЕРЫ НА ОСНОВЕ
ЛИНЕЙНО-ЦЕПОЧЕЧНОГО НАНОУГЛЕРОДА
Бабаев В.Г., Хвостов В.В.*, Стрелецкий О.А.
Физический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова,
Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, Москва, 119899 Россия
*Факс +7 (495) 939-1787, E-mail: vkhv@yandex.ru
На рис.1.а показана зависимость тока эмиссии
от вытягивающего напряжения для двух
температур катода..
Введение
В последние годы в связи с перспективой
создания приборов эмиссионной электроники
ведутся интенсивные исследования холодной
эмиссии с нано- и микрокристаллических
материалов - аморфного и нано- алмаза [1,2],
микро- и нанографита [3], нанотрубок [4].
Основной недостаток всех существующих
холодных катодов – работа при очень высоких
напряженностях поля (107 В/см), что приводит
к разрушению катодов.
Недавно
нами
был
обнаружен
альтернативный путь решения этих проблем.
При исследовании углеродных волокон,
содержащих линейно-цепочечный углерод
(ЛЦУ), была обнаружена аномально высокая
эмиссионная
способность,
связанная
с
реализацией совершенно другого механизма
холодной эмиссии электронов - механизма
эмиссии Шоттки. Как известно, механизм
Шоттки
реализуется
в
диапазоне
напряженностей полей до 104 В/см. Это
открывает большие перспективы по снижению
рабочих
напряженностей
полей
и,
следовательно, увеличению срока службы
приборов. Другое интересное направление –
использование этого материала с низкой
работой выхода в качестве анода в
термоэмиссионных преобразователях (к.п.д.
термо-эмиссионного
преобразователя,
как
известно, пропорционален разнице работ
выхода анод-катод. Для реализации этих
преимуществ
требуется
углубленное
понимание
процессов,
происходящих
в
углеродных
материалах
на
основе
sр1-гибридизации при воздействии внешних
условий с целью оптимизации их эмиссионных
свойств.
Рис.1.
На рис. 1.б, где показана ВАХ образца в
координатах
Шоттки,
хорошо
видно
спрямление ВАХ, что и подтверждает наличие
механизма термоэмиссии Шоттки. Особо
следует отметить, что порог эмиссии для
данного материала составляет 500 В/мм. По
температурной зависимости тока эмиссии
можно определить работу выхода катода.
Эффективная работа выхода оказалась равной
0.27 ±0.01 эВ для Е = 2200 В/мм2 и 0.41 ± 0.02 эВ
для Е = 9 В/мм2. Экстраполируя эти значения
до нулевого значения поля, получаем работу
выхода 0.4 ±0.02 эВ, которая совпадает в
Результаты и обсуждение
В настоящей работе приводятся результаты
исследования атомной структуры холодного
эмиттера на основе волокон ЛЦУ. Из
исследуемого материала был изготовлен катод
и измерены его эмиссионные характеристики.
722
пределах ошибки эксперимента с работой
выхода для Е=9 В/мм2.
При увеличении температуры нагрева выше
750о происходит графитизация ЛЦУ и
эмиссионные свойства падают.
Как видно из рисунка, поверхность
кристалла,
составленная
из
концов
параллельных
цепочек
углерода,
заканчивающихся на поверхности, имеет
большой
отрицательный
потенциал
по
отношению к его объему (порядка 7 В). При
этом напряженность поля Е оказывается
порядка 108 В/см. Такое встроенное поле
влияет на электронную структуру цепочек и
может уменьшать работу выхода отдельной
цепочки. В случае кристалла работа выхода
становится анизотропной: на поверхности
кристалла, на которой заканчиваются цепочки,
она увеличивается вследствие отрицательного
заряда концов цепочек, а на боковой
поверхности
кристалла,
параллельной
углеродным цепочкам, она уменьшается.
Эмиссия электронов в этом случае будет
происходить
в
основном
с
боковой
поверхности
цепочек
углерода,
где
сосредоточен положительный заряд.
Выводы
Реализация
холодных
катодов
с
шоттковским механизмом эмиссии и
низкой
работой
выхода
открывает
перспективы
радикального
решения
проблемы создания высокоэффективных
холодных эмиттеров. Помимо этого,
энергоемкость
производства
данного
материала на порядки величины меньше
стандартных
методов
производства
углеродных эмиттеров - нанотрубок,
наноуглеродных пленок.
Рис.2.
Для объяснения низкой работы выхода ЛЦУ
были проведены расчеты распределения
электронной плотности в линейной цепочке
атомов углерода методом псевдопотенциала с
учетом поляризационного заряда цепочки.
Результаты расчета показывают наличие на
конце цепочки большого поляризационного
отрицательного заряда, который быстро
спадает до нуля на расстоянии нескольких
атомов и компенсируется положительным
зарядом в глубине цепочки (Рис.2.а). Это
приводит
к
возникновению
сильного
внутреннего поля в цепочке. Учитывая, что в
нашем случае цепочки плотно упакованы в
гексагональную решетку и располагаются
параллельно друг другу, и, просуммировав
поля отдельных цепочек, расстояние между
которыми составляет 0.5 нм, можно рассчитать
распределение
суммарного
электростатического потенциала в зависимости
от расстояния от конца цепочки (Рис. 2.б).
Литеpaтypa
1. Kan M. C., Huang J. L., Sung J. C., et al.,
Mater J. Res.18, 1594 (2003).
2. Obraztsov A. N., Pavlovskii I. Yu. and
Volkov A. P., Zh.Tekh. Fiz. 71 (11), 89 (2001)
[Tech. Phys. 46, 1437 (2001)].
3. Obraztsov A. N., Zakhidov Al. A., and
Volkov A. P., Diamond Relat. Mater. 12,
446 (2003).
4. Sheshin E.P., Appl.Surf.Sci. 215,
191 (2003).
723