Нанотехника №1 2007 (550,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Í.È. Ñèíèöûí, Î.Å. Ãëóõîâà, Ã.Â. Òîðãàøîâ, Ç.È. Áóÿíîâà, È.Ã. Торгашов Изучение влияния геометрических параметров на эмиссионные свойства углеродных нанотрубок с металлической проводимостью Í.È. Ñèíèöûí, Î.Å. Ãëóõîâà, Ã.Â. Òîðãàøîâ, Ç.È. Áóÿíîâà, И.Г. Торгашов Введение С открытием углеродных нанотрубок интерес к изучению их свойств стремительно растет. Это вызвано совершенствованием технологий синтеза нанотрубок в макроскопическом объеме и большими перспективами практического применения. Пленки с углеродными нанотрубками (УНТ) уже применяются в качестве базового материала для конструирования сверхминиатюрных электровакуумных приборов, где нанотрубки используются в качестве автоэмиттеров. Известно, что наноструктурные объекты отличаются наличием размерных эффектов и зависимостью физических свойств от строения. Проводимость УНТ, например, определяется хиральностью (m,n): трубки типа armchair (m,m) обладают металлической проводимостью, а тип проводимости остальных обуславливается ориентацией гексагонов вдоль оси трубки (если разность m-n не кратна трем, трубка относится к полупроводникам) [1]. В связи с этим необходимо изучать электронную структуру и энергетику УНТ различной хиральности с целью выявления закономерностей в проявлении тех или иных свойств трубок в зависимости от строения. Цель данной работы – исследование эмиссионной способности УНТ типа armchair в зависимости от линейных параметров клетки трубок: от длины и диаметра. Теоретическое прогнозирование изменения эмиссионной способности с линейными параметрами осуществляется по изменению ионизационного потенциала, который во многом определяет работу выхода УНТ. Углеродные нанотрубки как автоэмиссионный материал Занимая до некоторой степени промежуточное положение между графитом и фуллеренами, углеродные нанотрубки по многим свойствам полностью отличается и от графита, и от фуллеренов и могут рассматриваться как новый материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками. Что касается вакуумной микроэлектроники, то в ней интерес, проявляемый к углеродным нанотрубкам, связан в настоящее время прежде всего с возможностью получения с них значительной и стабильной полевой эмиссии электронов даже в условиях технического вакуума. Авторы статьи изучают свойства нанотрубок со времени открытия ими автоэмиссии с них в 1993 году [2, 3]. Основным объектом наших экспериментальных исследований в области автоэмиссии являются углеродные нанотрубные пленки, в которых нанотрубки расположены перпендикулярно к подложке. Для получения таких пленок были разработаны оригинальные каталитические технологии на основе CVD процессов. В настоящее время идет активное внедрение пленочных нанотрубных катодов в приборах знакосинтезирующей и СВЧ электроники. С момента открытия автоэмиссии из углеродных нанотруб до настоящего времени идет дискуссия о работе выхода электронов из них [4, 5]. В эксперименте автоэмиссионные токи часто были намного выше, чем рассчитанные по формуле Фаулера-Нордгейма. Поэтому работа выхода на основе экспериментальных данных получалась намного ниже работы выхода графита. Особенно это было заметно на углеродных пленках с высокими (длинными) нанотрубками. На рис.1 приведено изображение углеродной пленки с высокими нанотрубами, полученное на растровом электронном микроскопе. На рис.2 приведены изображения коротких (а) и длинных (б) нанотрубок, полученные на просвечивающем электронном микроскопе. На рис.3 представлены вольтамперные характеристики автоэлектронной эмиссии углеродных пленок с короткими и длинными нанотрубами. Рис.1. Фотография со сканирующего электронного микроскопа. Фрагмент углеродной нанотрубной пленки 3

Стр.1

Рис.3. Вольтамперные характеристики автоэмиссии с углеродных нанотрубных пленок: расстояние анод–катод – 200 мкм В следующих разделах статьи приводятся теоретические исследования потенциала ионизации, а значит и работы выхода тонких однослойных нанотрубок различных геометрических размеров. Метод расчета потенциала ионизации однослойных углеродных нанотрубок по квантовой модели Метод сильной связи хорошо известен и успешно применяется для изучения многоатомных молекул и кристаллов [6–9]. Предложенная в [9] модификация параметров метода (атомных термов, межатомных матричных элементов гамильтониана) позволяет рассчитывать атомную и электронную структуры углеродных кластеров (фуллеренов, нанотрубок, наноторов, эндоэдральных соединений и др.) при различных локальных изменениях каркаса и в случае относительного движения компонент соединения. Координаты атомы трубки генерируется заданием трех линейных параметров (трехпараметрический метод [10]): одним из ребер шестиугольника, большей и меньшей диагоналями гексагона. Такой способ «выкладывания» тубуса УНТ из атомов углерода позволяет легко и быстро вычислять координаты атомов трубки произвольной хиральности (, )mn . Полная энергия кластера E представляется суммой: EE EaC bond , rep (1) где Erep – феноменологическая ýíåðãèÿ, Ebond – энергия заполненных электронных уровней. Феноменологическая энергия, учитывающая межэлектронное и межядерное взаимодействия, представляется суммой парных отталкивательных потенциалов [9] Рис.2. Фотографии с просвечивающего электронного микроскопа: а – короткие нанотрубки; б – длинные нанотрубки 4 EV r ij rep aE `  (| rep ij r |), (2)

Стр.2