Углеродные нанотрубки (УНТ), которые отличает удачное сочетание хорошей электропроводности с высоким аспектным отношением (отношение высоты к диаметру), являются основой эмиссионных катодов в вакуумных электронных приборах нового поколения.

В таких приборах в силу способности УНТ усиливать электрическое поле вблизи их концов достаточно высокий ток автоэлектронной эмиссии достигается при умеренных значениях приложенного напряжения. Это позволяет создавать на основе таких катодов портативные дисплеи, источники света и рентгеновского излучения, параметры которых не уступают современным устройствам значительно более крупных размеров и большей массы.

На пути разработки таких катодов возникают значительные технологические трудности, одна из которых связана с необходимостью обеспечения надежного контакта нанотрубки с проводящей подложкой. Плохое качество контакта не только снижает электропроводность эмиттера и, следовательно, величину эмиссионного тока, но также является причиной термического разрушения нанотрубки, которая при достижении некоторого критического тока эмиссии отрывается от подложки вследствие омического нагрева.

Радикальное решение данной проблемы разработано недавно исследователями из университета г. Нагоя (Япония), которым удалось приварить индивидуальную УНТ к металлической подложке, обеспечив тем самым надежный электрический контакт с ней. Синтезированные в дуговом разряде многослойные УНТ с помощью электрофореза прикреплялись к медной пластинке толщиной 30 мкм, которая монтировалась на подвижном элементе просвечивающего электронного микроскопа. Положение элемента регулировалось с помощью пьезодатчика.

Рис. 1. Иллюстрация процедуры приваривания индивидуальной УНТ к металлической подложке. а) исходная конфигурация нанотрубки, содержащей инкапсулированную платиновую частицу; b) приваривание конца УНТ к платиновой поверхности; с)изготовление эмиттера на основе индивидуальной УНТ в результате удаления медной пластины на расстояние d

Процедура сварки нанотрубки с металлической поверхностью подложки иллюстрируется на рис. 1. Свободный конец нанотрубки диаметром порядка 5 нм и длиной 176 нм приводился внутри микроскопа в контакт с острием вольфрамовой иглы, покрытым платиновой пленкой. Затем через нанотрубку в условиях вакуума 10^-7 Торр пропускали электрический ток, что приводило к инкапсулированию внутрь нее платиновой наночастицы (рис. 1а). Ток прекращался, когда нанотрубка самопроизвольно отделялась от острия иглы. Затем нанотрубку вновь приводили в соприкосновение с наконечником иглы, и после пропускания тока силой до 100 мкА при напряжении до 2,5 В происходила сварка нанотрубки с платиновой поверхностью (рис. 1b).

В результате отделения медной пластины от нанотрубки на расстояние d формировался полевой электронный эмиттер, вольтамперные характеристики которого измерялись при различных значениях межэлектродного расстояния d = 27 – 442 нм. Среднее значение напряженности электрического поля, при котором достигается ток эмиссии 100 нА, изменялось при этих расстояниях в диапазоне от 10⁷ до 10⁶ В/см. При d = 27 нм ток эмиссии наблюдался при напряжении 29 В и достигал значения 14 мкА при напряжении 42 В. Это соответствует максимальной плотности тока эмиссии 7х10⁷ А/см².

Измеренные вольтамперные характеристики (ВАХ) эмиттера хорошо соответствуют классической зависимости Фаулера-Нордгейма. Заметное отклонение измеренных ВАХ от зависимостей Фаулера-Нордгейма наблюдается в области высоких напряжений, что связано с эффектами омического нагрева наконечника нанотрубки, вызывающими повышение тока эмиссии при том же приложенном напряжении. Обработка ВАХ указывает на наличие существенной зависимости коэффициента усиления электрического поля от расстояния d между наконечником нанотрубки и поверхностью медного анода. Величина этого параметра возрастает от 6 до 59 при увеличении d от 27 до 443 нм.

А.В. Елецкий

• K.Asaka, H.Nakahara, Y.Saito, Appl. Phys. Lett. 92, 023114 (2008)