Полевые электронные эмиттеры на основе углеродных нанотрубок (УНТ) отличаются высоким током эмиссии при относительно небольшом приложенном напряжении (на уровне 1000 В). Разработка подобных систем требует решения целого ряда технических проблем, которые в первую очередь связаны с необходимостью выращивания однородных массивов вертикально ориентированных УНТ заданной геометрии

Нанотрубки, составляющие эмиссионный катод, обычно содержат металлические частицы катализатора, наличие которых могут изменить эмиссионные свойства УНТ. Такие частицы сопровождают рост нанотрубки и вряд ли могут быть легко удалены по окончании роста, когда необходимость в их присутствии отпадает. Тем самым возникает проблема исследования свойств таких частиц и установления их влияния на эмиссионные характеристики катода.

Недавно группа сотрудников центра нанотехнологий г. Саппоро (Япония), детально исследовала поведение частицы катализатора, находящейся на вершине нанотрубки в процессе полевой электронной эмиссии. Отдельная многослойная нанотрубка, выращенная методом химического осаждения паров (CVD) с использованием в качестве катализатора частиц железа, помещалась в камеру просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), работающего при давлении 10^-8 Торр и напряжении 200 кэВ. Высота нанотрубки составляла 1.9 мкм, а ее внутренний и наружный диаметр равнялись 26.2 нм и 67.3 нм, соответственно. Расстояние между катодом, роль которого играла нанотрубка, и анодом составляло 0.25 мм, а величина приложенного к аноду напряжения изменялась до 1 кВ. Наблюдения, выполненные с помощью ПЭМ, показывают, что при токе эмиссии, превышающем 30 мкА, частица катализатора ведет себя подобно капле. Она движется по направлению к вершине нанотрубки, в то время как часть материала катализатора остается в слое аморфного углерода, покрывающем нанотрубку. В результате этого движения ток эмиссии резко спадает, хотя приложенное напряжение остается неизменным. Затем жидкая частица стекает с вершины УНТ, разделяясь на несколько фрагментов, что сопровождается резким возрастанием тока эмиссии примерно с 20 до 40 мкА. При столь высоком токе эмиссии в межэлектродном промежутке наблюдается электрический разряд, вызывающий разрушение эмиттера. Аналогичное поведение частицы катализатора, находящейся на поверхности УНТ, наблюдалось также в отсутствие эмиссии, при нагреве нанотрубки с помощью вольфрамовой спирали диаметром 25 мкм до температуры 723 К и выше. Это указывает на единую причину описанного поведения частицы катализатора, связанную с ее нагревом.

Хотя основные особенности поведения частицы обусловлены ее нагревом, некоторое влияние на это поведение оказывает приложенное электрическое поле. Это следует из наблюдений, выполненных при различной величине и направлении электрического поля и указывающих на эффект вертикального выстраивания нанотрубки при напряжении выше 900 В.

А. Елецкий

• 1. T.Fujieda et al., Appl. Phys. Express 1, 014002 (2008)