VIVOS VOCO: Ю.В. Гуляев, "УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБНЫЕ СТРУКТУРЫ"

В течение последних 15 лет очень бурно развивается новое направление в электронике - вакуумная микроэлектроника. Это направление ведет, во-первых, к разработке новых электронных пушек для известных СВЧ-приборов (клистронов, магнетронов, ЛБВ, ЛОВ и др.) и к созданию принципиально новых СВЧ-приборов. Во-вторых, вакуумная микроэлектроника дает возможность конструировать новые эффективные дисплеи и плоские экраны. В-третьих, здесь возможно создание новых типов специальных процессоров для обработки информации. Чрезвычайно важной отличительной особенностью перечисленных выше приборов является то, что они могут работать при повышенных температурах (до ~1000°С, например, на поверхности планеты Венера), в условиях интенсивной радиации и сильного электромагнитного излучения.

Основная используемая структура представляет собой решетку острийных (или лезвийных) холодных автокатодов, формирующую матрицу диодных или триодных электронно-оптических микроструктур. В качестве эмиттеров используются кремниевые или молибденовые атомарно заостренные конусы или лезвия, изготовлением которых занимается современная фотолитография и другие прецизионные технологии.

В настоящее время для большинства случаев практического применения необходимо увеличение тока с одной микроструктуры на один-два порядка и умньшение не менее чем на порядок напряжения на управляющем электроде. В связи с этим идет активный поиск новых эмиссионных материалов и конструкций.

В докладе мы представляем новый материал для эмиссионной электроники, который изучается вот уже девять лет, - углеродные нанотрубные и нанокластерные пленки.

После открытия в 1985 г. У. Крото, Р. Смолли и Р. Керлом новой аллотропной фазы углерода - гипермолекулы C₆₀, названной фуллереном, - изучение данного материала стало одним из самых популярных направлений исследований в физике и химии твердого тела. Были обнаружены и изучены другие стабильные гипермолекулы углерода такого типа - С₇₀, C₇₆, C₈₄, C96. Все они имеют сферическую форму и состоят из шестиугольных и пятиугольных ячеек и имеют диаметр ~1нм.

В 1991 г. было доказано, что под действием внешних сил сферическая молекула C₆₀ может приобрести бочкообразную форму [1]. Далее он показал, что возможно состояние гипермолекулы углерода в виде нанотрубки, закрытой на концах "шапочками" из половинок гипермолекулы C₆₀ [2]. Приведенный вариант углеродных гипермолекул он назвал "тубеленами" (от английского tube - трубка). В этой же статье было помещено изображение в электронном микроскопе нано-трубной углеродной структуры, полученной экспериментально методом распыления графита электронным лучом. Структура представляла собой пленку толщиной около 1 нм (примерно 10 A) и длиной - порядка 100 нм во всю толщину пленки. Более подробно данная экспериментальная работа с некоторыми теоретическими дополнениями была описана в 1992 г. [3].

Независимо от перечисленных выше работ, в 1991 г. японский специалист в области электронной микроскопии С. Инджима, изучая материал, высаживающийся на катоде при получении фуллеренов методом электродугового разряда, обнаружил там многослойные нанотрубки [4]. С тех пор углеродные нанотрубки интенсивно изучаются во всем мире [5].

Как видно из типичных картинок, полученных на сканирующем туннельном микроскопе (рис. 1), углеродные нанотрубки (тубелены), как однослойные (А-типа), так и многослойные (В-типа), имеют разную длину (разница составляет ~10нм и более), и как правило, оказываются "обломанными" то есть не имеют "шапочек" C₆₀. Таким образом, поверхность тубеленовой пленки представляет собой плоскость, усеянную остриями нанометрового диаметра, причем плотность упаковки острий может достигать 10¹²-10¹⁴ штук на 1 см² При приложении электрического поля эти острия могут стать источниками автоэлектронной эмиссии. Это навело меня и моих коллег на мысль об использовании таких пленок в качестве эмиттеров электронов в вакуум. Идея была высказана и реализована нами в 1993 г. и первые результаты опубликованы в начале 1994 г. [5] и представлены на VII Международную конференцию по вакуумной микроэлектронике состоявшуюся в июле 1994 г. в Гренобле. Схема эксперимента приведена на рис. 1.

Рис. 1. Полевая эмиссия электронов из углеродных нанотрубок (тубеленов)

На рис. 2 даны типичные вольт-амперные характеристики для пленок из тубеленов типа А и В. Видно, что эмиссионная способность тубеленных, состоящих из углеродных нанотрубок, пленок весьма высока. Плотность автоэмиссионного тока имеющихся в настоящее время улеродных на-нотрубных пленок достигает 10 А/см² при средней напряженности поля вблизи поверхности пленки порядка 30-50 в/мкм [5].

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики автоэлектронной эмиссии
из углеродных нанотрубных пленок, выращенных методом CVD

На рис. 2(б) эти же вольт-амперные характеристики построены в соответствии с формулой Фаулера-Нордгейма для тока автоэлектронной эмиссии. Там же приведены известные из литературы данные для кремниевых острий и алмазоподобных пленок (например [6]). Малый наклон линий доказывает, что работа выхода из углеродных нанотрубных пленок существенно ниже, чем из кремниевых острий и алмазоподобных пленок. Эта работа составляет порядка 1 эв (в отличие от 4.37 эв для обычного углерода).

На рис. 3 показаны вольт-амперные характеристики автоэлектронной эмиссии из углеродных нанотрубных пленок, выращеных CVD-методом. Видно, что эмиссия может начинаться при сравнительно низких напряжениях.

Нанокластерные углеродные пленки, полученные CVD-методом при распылении графита в аргоновой плазме, дают автоэмиссионные характеристики нанотрубных пленок, но при несколько более высоких полях. Они механически гораздо более стабильны, обеспечивают импульсные автоэмиссионные токи вплоть до 4 А/см² и имеют при этих условиях время жизни порядка 2000 час.

Благодаря совместным разработкам Института общей физики. Института радиотехники и электроники РАН и Научно-исследовательского института "Волга" в г. Саратове, уже существуют действующие макеты дисплеев с использованием углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок. Таким образом, наряду с фундаментальными исследованиями углеродных нанотрубных и нанокластерных катодов широко проводятся работы прикладного характера по созданию соответствующих приборов и устройств вакуумной микро- и наноэлектроники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chernozatonskii L.A. A New Nonfullerene Form of C₆₀ and its Doped Metal Solids // Phys. Lett. 1991. A 160. P. 392.

2. Chernozatonskii L.A. Barrelenes/tubelenes - a New Class of Cage Carbon Molecules and its Solids // Phys. Lett., 1992. A 166. P. 55-60.

3. Косаковская З.Я., Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 56. Вып. 1.

4. lijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56.

5. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaya Z.Ya., Sinitsyn N.I., Torgashov G.V., Zakharchenko Yu.F. Field Emitter Arrays on Nanofilament Carbon Structure Films // Revue "Le Vide, Les Couches Minces". 1994. № 271.

6. Sinitsyn N.I., Gulyaev Yu.V., Torgashov G.V. et al. Thin Films Consisting of Carbon Nanotubes as a New Material for Emission Electronics // Documentation of International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC'96), Eindhoven, Netherlands. Applied Surface Science. 1997. №111.