Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Катод на основе углеродных нанотрубок с рекордной плотностью тока эмиссии
Использование углеродных нанотрубок (УНТ) в катодах в качестве источников холодной полевой эмиссии привело к существенному повышению выходных характеристик таких катодов. Это связано с высоким аспектным отношением УНТ, которое обеспечивает эффект существенного усиления электрического поля вблизи наконечника нанотрубки и, соответственно, вызывает значительную эмиссию электронов при умеренных величинах приложенного напряжения.
При этом возникает естественный вопрос о предельных возможностях таких систем и, в частности, о предельно достижимых в них плотностях тока. Ответ на этот вопрос попытались недавно дать исследователи из University of Science and Technology, Beijing (Китай), которые создали эмиттер с плотностью тока свыше 100 А/см2. В качестве источника эмиссии использовали многослойные УНТ диаметром около 30 нм и высотой 2–3 мкм, синтезированные методом CVD. Образец УНТ массой около 1г размешивали в 32г этанола, после чего полученную суспензию однородно наносили кремниевую подложку. После подсушивания и прогрева образец прикрепляли с помощью проводящего клея к медной пластине. Поверхность катода имела форму круга диаметром 50мм. Эмиссионные свойства катода исследовали в импульсном режиме в диодной конфигурации в условиях вакуума ~ 10−3 Пa. В качестве анода использовали пластину диаметром 60см с отверстием, через которое мог проникать электронный пучок. Измерения проводили в двух режимах: при напряжениях ~1.64 MВ и ~0.74 MВ. В первом случае межэлектродное расстояние составляло 98мм, а во втором – 65мм, длительность импульса в обоих случаях ~ 100 нс. Интервал между импульсами составлял 120с, что обеспечивало полную релаксацию катода после предыдущего импульса (ns pulse duration). Как показывают наблюдения, среднее расстояние между нанотрубками в катоде составляет около 1 мкм. При напряжении на аноде 1.64 MВ плотность тока эмиссии в первых импульсах достигает 344 А/см2. Максимальная величина тока достигается при напряженности электрического поля 16.7 В/мкм и составляет 6.75 кА. Характеристики катода остаются неизменными в течение 110 импульсов. При напряжении на аноде 0.74 МВ плотность тока эмиссии в первых импульсах составляет 50 А/см2. Максимальный ток эмиссии (0.98 кА) достигается при напряженности электрического поля 11.4 кВ/мкм. При этом характеристики катода остаются неизменными в течение 90 импульсов. Приведенные величины плотности и тока эмиссии являются рекордными и превосходят ранее достигнутые показатели в десятки раз.
В качестве механизма, обеспечивающего столь высокие токи эмиссии, авторы рассматривают явление взрывной эмиссии электронов, согласно которому источником эмиссии является прикатодная плазма, образующаяся в результате полевой ионизации молекул остаточных газов. Разделение зарядов в такой плазме, обусловленное действием внешнего электрического поля, приводит к возникновению дополнительного поля, способствующего полевой эмиссии нанотрубок. Длительность импульса тока эмиссии определяется временем разлета такой плазмы и составляет доли микросекунды. Такой механизм объясняет однородный характер эмиссии, наблюдаемый в рассмотренных экспериментах.
Liao Q. et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 6626 (2007).
