Эффективность эмиссии электронов с углеродных нанотрубок (УНТ) обусловлена их высокой проводимостью и большим отношением длины к поперечным размерам, способствующим усилению электрического поля вблизи конца нанотрубки. При этом считается, что именно эта область является основным источником электронной эмиссии. Однако, в большинстве случаев, нанотрубки, составляющие полевой эмиссионный катод, не ориентированы строго вертикально по отношению к подложке и могут быть как угодно изогнуты. В связи с этим возникает вопрос об эмиссионной способности боковой поверхности нанотрубки.
Прямые эксперименты, позволяющие получить ответ на этот вопрос, были поставлены недавно в Univ. of Central Florida, Orlando (США). Многослойные УНТ диаметром около 40 нм и длиной порядка 10 мкм, синтезированные методом химического осаждения паров и укрепленные по отдельности на торце углеродного волокна, облучали ионным пучком при токе от нескольких до 500 пА, что приводило к их изгибу и образованию петель. Радиус петли зависел от величины ионного тока и составлял несколько сот нанометров.
Схема эксперимента по измерению эмиссионных характеристик УНТ представлена на рис. 1. В этом эксперименте межэлектродное расстояние составляло D = 5mm, а расстояние от нанотрубки до анода d =150 ± 2 мкм. Во избежание термического разрушения эмиттера измерения проводили при относительно невысоких токах (не выше 100 нА). Стабильное и воспроизводимое поведение эмиттера (кривая В) наблюдалось после некоторой тренировки исходного (кривая А) образца. Обращает на себя внимание аномально низкое напряжение (50 В), при котором начинается эмиссия, а также напряжение (70 В), при котором ток эмиссии достигает величины 100 нА. Тренировка эмиттера в течение 2 мин при повышенном напряжении, обеспечивающем ток до 5 мкА, изменяет эмиссионные характеристики нанотрубки (кривая С), так что эмиссионный ток при том же напряжении возрастает на 2-3 порядка.
Наблюдения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показывают, что эффект тренировки связан с частичным испарением материала нанотрубки при высоких токах и выпрямлении нанотрубки под действием электрического поля. Коэффициент усиления электрического поля, полученный на основании обработки вольт-амперных характеристик УНТ, оказался в диапазоне 380000-400000. Предполагается, что столь высокая величина эффективного фактора полевого усиления связана с возможным снижением работы выхода нанотрубки в результате ее изгиба.
А.В.Елецкий
G. Chai, L. Chow Carbon 45, 281 (2007).
