CC BY
82
Новое в прикладной физике
УДК 537.5
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ЭМИТТЕРЫ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, ГРАФЕНА И ПОЛУПРОВОДНИКОВ*
Последние разработки
Г. Г. Соминский, Т. А. Тумарева
ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
В статье приведены последние опубликованные в литературе данные о разработке и исследовании перспективных полевых эмиттеров из углеродных нанотрубок, графена и полупроводников. Анализируются возможности получения больших плотностей и токов полевой эмиссии, а также возможности обеспечения долговечной работы эмиттеров в высоковольтных электронных приборах.
Ключевые слова: Полевой эмиттер, углеродная нанотрубка, графен, полупроводник, большие токи, технический вакуум, высокая долговечность.
Введение
Холодные полевые эмиттеры привлекательны для использования во многих электронных устройствах. Однако широкому их применению препятствует невысокая долговечность при отборе больших токов в условиях технического вакуума. В последние годы интерес к полевым эмиттерам существенно возрос в связи с созданием гиротронов и других высоковольтных СВЧ-приборов коротковолнового миллиметрового и терагерцового диапазона. Миниатюрные холодные полевые эмиттеры больше подходят для коротковолновых СВЧ-устройств, чем термокатоды. Но трудности использования полевых эмиттеров в таких приборах усугубляются тем, что при их эксплуатации наряду с высокой долговечностью должны быть обеспечены одновременно большие токи эмиссии, превышающие пороговые значения порядка или более 20...30 мА, необходимые для пуска приборов, а также плотности токов эмиссии свыше 100...300 мА/см2, для того чтобы облегчить требования по компрессии электронных потоков, которые в таких приборах имеют малое сечение.
Основные причины выхода из строя полевых эмиттеров в высоковольтных электронных устройствах, работающих в техническом вакууме, - распыление их
* Статья написана по материалам доклада, прочитанного на XVI Международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике СВЧ. Саратов, Россия, 2-7 февраля 2015.
поверхности под действием бомбардировки ионами остаточного газа, а также разрушение эмиттеров из-за перегрева эмитирующих электроны структур при отборе больших токов и/или под действием пондеромоторных сил. В России и за рубежом ведется поиск путей создания и использования долговечных и достаточно сильноточных полевых эмиттеров для высоковольтных электронных устройств, работающих в техническом вакууме.
В последние годы наибольшие усилия были направлены на поиск возможностей создания долговечных и эффективных эмиттеров из углеродных и/или содержащих углерод материалов. История исследования эмиттеров из углеродных материалов изложена, например, в [1-8]. Созданные к настоящему времени полевые эмиттеры из углеродных нанотрубок (УНТ) и графена, могут быть перспективны для эксплуатации в высоковольтных электронных (в том числе СВЧ) приборах. Ведутся и работы, нацеленные на создание полевых эмиттеров из полупроводниковых материалов.
В статье проведен анализ последних опубликованных в литературе данных по созданию и исследованию полевых эмиттеров из углеродных нанотрубок, графена и полупроводников, перспективных для использования в высоковольтных электронных устройствах.
1. Эмиттеры на основе углеродных нанотрубок
Принято считать, что эмиттеры, приготовленные из УНТ, весьма привлекательны для практического использования. Были потрачены большие усилия на разработку технологий создания таких эмиттеров и на их исследование.
Для получения больших токов, как правило, используются распределенные структуры УНТ макроскопических размеров. УНТ достаточно прочны и термостойки, имеют высокую электропроводность, что важно при отборе больших токов. Однако для получения больших токов важно также обеспечить хороший их электрический и тепловой контакт с подложкой. Ранее были исследованы возможности обеспечения контакта УНТ преимущественно с полупроводниковыми подложками. Формирование покрытий из УНТ на металлических подложках, имеющих существенно большую проводимость и более стойких к нагреву, изучено меньше. Один из способов обеспечения качественного контакта УНТ с медной подложкой описан авторами [9]. Они исследовали закономерности формирования и функционирования хаотически ориентированных УНТ на такой подложке. Разработанная ими эмиссионная структура включала примыкающий к меди барьерный слой из титана и нанесенный поверх титана тонкий (5...10 нм) слой катализатора из никеля. Рост УНТ осуществлялся с использованием хорошо отработанного ранее метода термического chemical vapor deposition (CVD) при температуре 973 К, вполне применимого к использованной термостойкой системе. На рис. 1 из [9] показаны изображения созданной структуры, полученные с помощью растрового электронного микроскопа. Испытания эмиттеров проводились в непрерывном режиме, а также при подаче напряжения, синусоидально меняющегося во времени с частотой 400 Гц. В непрерывном режиме эмиттер разрушался, как считают авторы, под действием ионной бомбардировки. Поэтому основные измерения проведены в «импульсном» режиме.
В выполненных позднее исследованиях [10] была сделана попытка получить большие токи полевой эмиссии со структуры УНТ, выращенной на медной подложке
Рис. 1. Полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения хаотически ориентированных УНТ [9]
по технологии, предложенной в [9]. Авторами [10] реализовано оригинальное решение, позволяющее увеличить отбираемые токи с площадки фиксированного размера. Структуры УНТ формировалась на подложках из меди площадью 1 мм2. В подложках перед нанесением покрытия из УНТ создавалась упорядоченная структура одинаковых отверстий диаметром 120 мкм. Были измерены эмиссионные характеристики катодов с разным количеством отверстий (4, 9, 16). Наблюдения, выполненные с помощью растрового электронного микроскопа, свидетельствовали, что на таких подложках углеродные нанотрубки растут не только на плоской поверхности пластины, но и на части внутренней поверхности отверстий. В результате увеличивается эффективная эмитирующая поверхность катода при неизменном его сечении. Поэтому с ростом числа отверстий растет по сравнению с эмиттером без отверстий ток эмиссии, который можно отобрать с катода при фиксированном значении анодного напряжения. В импульсном режиме с созданных катодов удавалось получать плотности тока полевой эмиссии до 270 мА/см2. Понятно, что создание катодов большей площади может привести к росту тока эмиссии, но, видимо, без увеличения его плотности.
Выполненные измерения свидетельствовали, что все созданные структуры в импульсном режиме достаточно стабильно работают в течение 10 часов при давлении остаточного газа порядка 10"7 Торр. Однако это не дает достаточных оснований считать, что эмиттеры такого типа можно использовать в высоковольтных СВЧ-приборах, работающих в техническом вакууме. Дело в том, во-первых, что испытания на стабильность работы выполнены при сравнительно малых плотностях тока - порядка или менее 50 мА/см2. Кроме того, анодные напряжения в этих испытаниях не превышали приблизительно 2000 В. Учитывая, что ионное распыление катодов ускоряется с ростом их энергии, а влияние тепловых эффектов на функционирование катодов усиливается с ростом плотности тока эмиссии, испытания на долговечность следовало бы проводить при больших напряжениях и плотностях тока эмиссии.
Работы [9, 10] привлекают к себе внимание, в основном, тем, что используют довольно простые технологии создания эмиттеров. Однако имеет смысл оценить возможности и других технологий. Как свидетельствуют исследования, выполненные, например, в работах [11, 12], существенного увеличения токов и плотностей токов
полевой эмиссии можно добиться, используя разного рода упорядоченные структуры УНТ, создаваемые с применением более сложных технологий.
Авторами [11] продемонстрирована возможность получения плотностей тока полевой эмиссии ориентировочно до 1.5 А/см2. На стеклянной подложке со слоем молибдена на поверхности с помощью фотолитографии «строилась» упорядоченная структура гексагональных ячеек. На эту структуру наносились катализаторы (алюминий и железо), а затем на ребрах металлической структуры методом термического СУЭ выращивались вертикально ориентированные УНТ. Для создания эмиттера требовалось выполнение большого количества операций, которые мы не будем описывать. С ними лучше познакомиться непосредственно в статье. Геометрические характеристики созданной ячеистой структуры поясняет рис. 2 из [11]. Были изготовлены эмиттеры площадью 4 х 4 мм2. Эмиссионные характеристики созданных эмиттеров измерялись в диоде с расстоянием между катодом и анодом 250 мкм.
Проведенные измерения свидетельствуют, что в связи с большим усилением поля у поверхности нанотрубок, выращенных на ячеистой структуре, в диоде с малым зазором между катодом и анодом ток плотностью 1.5 А/см2 удается отбирать при напряжении порядка 1250 В. Для определения возможностей стабильной работы созданных эмиттеров была измерена зависимость тока полевой эмиссии от времени, показанная на рис. 3 из [11]. Измерения проводились при плотности тока ~ 200 мА/см2 и постоянном напряжении ~ 750 В. Давление остаточного газа во время испытаний на долговечность в течение примерно 90 часов поддерживалось на уровне 5 х 10_7 мбар, а затем было понижено до 5 х 10_9 мбар и поддерживалось на этом уровне до конца испытаний. Отмеченное сравнительно малое падение тока при высоком давлении авторы объясняют адсорбцией кислорода, повышающей
ХД О XX\ 1 Y\XXJ i л X XХД,XXXХХлХ
кХл, ххххххспл 11 X ХД, i.X х ХхХХХ-ДЛХХХХ iXXXxXX i ХхХХХХХХхХХХ
X XXХД. XХхХХХ X А
L XI X XXX хххх. XX" llliltl <11111
LX ХХХ ХХХХ. CXXJC-
I 1 I i. I I III LI l l
20um
l l l 1. 1 t 4. I. l 1 i
_XXXX X X X IX-PPn
500nm
Г "■ V," Л -
••fv
20nm
-•• - Жoia ..■' . >•?г;' M1-ЯЯ^
Рис. 2. Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM) [11]: а и б - фронтальное и снятое под углом 45 градусов SEM-изображения сетчатой структуры, соответственно; в - вид сбоку на структуру вертикально ориентированных УНТ; г - ТЕМ-изображение многослойной УНТ (интервал диаметров 5...15 нм); д - SEM-изображение структуры УНТ (вид сверху); е - изображение отдельной гексагональной ячейки сетчатой структуры
см £ 300
о
< £ 250
"55 200
с Ф
■О 150
1
100
о
с
о '<л 50
t/1
£ ш 0
о
40 80
Time (hours)
120 160
Рис. 3. Зависимости плотности тока эмиссии и давления остаточных газов от времени работы катода [11]
работу выхода нанотрубок. Не вдаваясь г в обсуждение надежности такого объяснения, обратим внимание на то, что, как и в работе [10], проведенные испытания не дают достаточных основа>
ний считать, что эмиттеры такого типа можно использовать в высоковольтных СВЧ-приборах, работающих в техническом вакууме. В испытаниях при малом напряжении, видимо, было минимизировано ионное распыление катодов, которое обычно является одним из основных факторов, ведущих к их деградации.
5.(МО-9
Приведем еще один пример создания с использованием сложных технологий эффективных полевых эмиттеров. Еще в 2007 г. была отработана методика [12] создания однородной хорошо выровненной структуры многослойных УНТ, обеспечивающей получение в импульсном режиме (100 Гц, 10 мкс) рекордно большой по тому времени плотности тока полевой эмиссии 3.55 А/см2 при полном токе более 710 мА с образца площадью порядка 0.2 см2. В непрерывном режиме с той же структуры получен существенно меньший ток около 15 мА.
Структура включала ячейки квадратного сечения со стороной 3.5 мкм, расположенные таким образом, что расстояние между центрами ячеек составляло 10 мкм. Ячейки заполнены вертикально ориентированными многослойными УНТ приблизительно одинаковой высоты и диаметра. Создание такой структуры производилось в результате многоэтапной обработки многослойной структуры (своеобразного «сэндвича», по терминологии авторов) с использованием метода microwave chemical vapor deposition.
Измерение эмиссионных характеристик созданных катодов проводилось в диоде, в котором расстояние между катодом и анодом было установлено равным 300 мкм. На рис. 4 из [12] приведены полученные в экспериментах характеристики. Для определения возможности стабильной работы катода в импульсном режиме измерена зависимость тока I от времени t. Измерения выполнены при токе 500 мА и напря-
с
2 i— з о с о
'(Л (Я
Е
ф
а
2 3
anode voltage (kV)
ageing time (hours)
Рис. 4. Эмиссионные характеристики «сэндвич»-катодов [12]: (а) - вольт-амперная характеристика (на врезке соответствующая характеристика Фаулера-Нордгейма), (б) - зависимость тока эмиссии от времени работы катода
жении около 700 В. Давление в приборе в отсутствие электронной бомбардировки анода было равно 8 х 10"9 мбар. Насколько оно увеличивалось во время измерения зависимости I(Ь), из статьи определить трудно. Ток полевой эмиссии практически не менялся в течение 20 часов.
Таким образом, созданные катоды обеспечивали ток эмиссии, достаточный для работы некоторых типов СВЧ-приборов, но, к сожалению, и в данном случае не доказана возможность использования катодов в высоковольтных устройствах, поскольку испытания на долговечность проведены в импульсном режиме с большой скважностью импульсов Q = 103 и при слишком малом напряжении. В таких условиях становится пренебрежимо малым разрушение катода под действием ионной бомбардировки не только потому, что испытания выполнены при низких энергиях бомбардирующих катод ионов, но также и по той причине, что невелико время воздействия ионной бомбардировки. При скважности импульсов 103 за двадцать часов испытаний катод подвергается бомбардировке ионами остаточных газов всего в течение 1.2 мин.
Попытки создания эффективных полевых эмиттеров на основе УНТ не прекращаются до сих пор. Один из последних примеров - работа [13]. Ее авторы в качестве основы эмиттера использовали тонкий графитовый стержень диаметром 0.3 мм. На вершине стержня крепилось с помощью биндера покрытие из УНТ, приготовленных с помощью CVD технологии. Использованный для крепления УНТ биндер удалялся в результате неоднократных прогревов эмиттера, в том числе, в вакууме. Испытания созданных катодов проводились в диоде с расстоянием между анодом и торцом эмиттера, равным 500 мкм. Давление в приборе поддерживалось на уровне 2 х 10"7 Торр.
Площадь эмитирующей поверхности созданного катода мала, по оценкам авторов приблизительно равна 7 х 10"4 см2. Использование в качестве основы катода длинного тонкого стержня позволяло обеспечить значительное усиление электрического поля у его поверхности. Максимальный ток полевой эмиссии с созданного катода перед пробоем зазора катод-анод достигал 5.9 мА при «макроскопическом» электрическом поле 4.6 В/мкм. Максимальная плотность тока эмиссии в этом режиме была приблизительно равна 8.5 А/см2. Были проведены измерения изменений тока эмиссии во время эксплуатации катода. Эти измерения, выполненные при токе 2 мА и напряжении приблизительно 2300 В, показали, что ток с хорошо прогретого в вакууме катода слабо меняется в течение 100 мин. Однако, как и при рассмотрении других конструкций катодов с УНТ, стабильная работа данного катода при малом напряжении не свидетельствует о возможности долговременной его работы в высоковольтных электронных приборах.
Таким образом, подводя итоги исследования катодов из УНТ, можно сказать следующее.
К настоящему времени разработаны технологии создания источников полевой эмиссии на основе УНТ. Лучшие образцы катодов с УНТ обеспечивают плотности тока полевой эмиссии до 1.5...8.5 А/см2. Но, пожалуй, только один тип эмиттеров, изготовленных с использованием так называемой «сэндвич»-технологии, обеспечивает токи, необходимые для некоторых типов высоковольтных СВЧ-приборов. Можно надеяться, что эмиттеры из УНТ после определенной доработки смогут обеспечить необходимые токи. Однако требуется проверка возможности долговечной их работы в высоковольтных электронных приборах, эксплуатируемых в условиях технического вакуума.
2. Эмиттеры из графена и содержащих графен материалов
В последние годы активно изучаются возможности создания полевых эмиттеров из графена или с использованием графена. Графен привлекает к себе внимание, так как сочетает ряд прекрасных качеств, в целом подобных углеродным нанотруб-кам: он прочен и химически инертен, имеет высокую проводимость, термостоек, листы графена отличаются большим аспектным отношением, так как при малой толщине могут иметь существенно большую протяженность в поперечном направлении.
Как правило, графеновые пленки, которые планируется использовать для полевой эмиссии, располагаются на поверхности проводящей подложки. Интенсивная полевая эмиссия с таких пленок возможна, если обеспечено усиление поля хотя бы на некоторых участках их поверхности. Усиления поля можно достичь, например, если создать выступы на поверхности пленки.
Влияние неоднородностей графеновых пленок на их полевую эмиссию исследовано во многих работах. Так, например, авторами [14] показано, что даже малые неоднородности пленки, обусловленные неровностями подложки, ведут к существенному (иногда в сотни раз) увеличению тока полевой эмиссии.
Значительно большего усиления поля можно достичь, если в достаточной степени использовать характерное для графеновых пленок большое аспектное отношение. Однако для этого требуется ориентировать пленку длинной ее стороной в направлении электрического поля. Авторами [15] были получены покрытия из окисла графена (graphene oxide, GO), состоящие из большого количества хаотически ориентированных малых по толщине лепестков графена. Среди этих лепестков существовали и ориентированные приблизительно перпендикулярно поверхности подложки (рис. 5) и в направлении электрического поля. Графеновое покрытие создавалось с использованием электрофореза. Эта технология позволяла регулировать морфологию поверхности покрытия, меняя время его нанесения, и оптимизировать покрытие с целью достижения максимальных плотностей тока эмиссии. На рис. 6 приведены полученные в [15] вольт-амперные характеристики созданных образцов и соответствующие характеристики Фаулера-Нордгейма. Измерения проводились в плоском диоде с чрезвычайно малым расстоянием, 100 мкм, между катодом и анодом. Поэтому измерения выполнены при напряжениях менее 100 В.
Структуры подобного типа, характеризующиеся большим количеством участков на поверхности покрытия, где заметно усилено поле (центров эмиссии), могут быть созданы не только из моноатомных графеновых лепестков. В работе [16], например, создавались покрытия из тонких пластинок графита размером порядка нескольких микрон. Необходимое усиление поля существовало в данном случае на острых границах пластинок. Авторами [16] в предпробойных режимах получены плотности токов эмиссии около 30 мА/см2. Однако есть основания полагать, что при отборе больших токов существовало «газовое усиление», обусловленное ионизацией продуктов, десорбированных с анода под действием электронной бомбардировки. В этом случае ток на анод превышает исходный ток полевой эмиссии.
В последние годы были созданы и исследованы многоострийные структуры с покрытиями из графена и оксида графена. Такие структуры представлялись перспективными для получения большого усиления поля в областях покрытия над остриями подложки. Была изучена работа с тонкопленочными покрытиями (от 1 до 5 моносло-
Рис. 5. Полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения графеновых полевых эмиттеров [15]. Приведены изображения эмиттеров, созданных при нанесении покрытий в течение
разных интервалов времени: 5 мин. (а, б); 10 мин. (в, г); 15 мин. (д, е). Изображения в левой и правой колонках получены соответственно при увеличениях в 1000 и в 20000 раз
Рис. 6. Вольт-амперные характеристики и соответствующие характеристики Фаулера-Нордгейма (на врезке), полученные при нанесении графенового покрытия в течение разных интервалов времени (5, 10 и 15 мин.) [15]
ев) многоострийных структур из окиси цинка [17], из никеля [18] и из кремния [19]. На данном этапе такие структуры эксплуатировались при малых отбираемых токах (порядка десятка мкА) и плотностях тока меньше (1...2) мА/см2.
Рекордно большие плотности тока полевой эмиссии удалось получить с эмиттеров, приготовленных из так называемой «графеновой бумаги» [20,21]. Характеристики эмиттеров из графеновой бумаги иллюстрируют рис. 7, рис. 8 и рис. 9 [21]. Графеновая бумага представляет собой «пачку» листов графена толщиной примерно 4.25 мкм (см. рис. 7, б). Токи отбираются с торцевой поверхности систем, изготовленных из бумаги. Там слои расщеплены и на них существует значительное усиление поля. Изучена работа трех типов катодов из графеновой бумаги. Один катод, показанный на рис. 7, в, формировал плоский поток электронов шириной около 19 мм. Катод, изображенный на рис. 8, позволял создавать электронный поток
Рис. 7. а - полученное с помощью атомно-силового микроскопа (AFM) изображение листа графена; б - полученное с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) изображение «пачки» листов графена, на врезке - рамановский спектр с поверхности созданного эмиттера; в - эмиссионное изображение катода, формирующего плоский поток электронов, на врезке - схематическое изображение системы, использованной для контроля эмиссионных свойств катода; г - зависимость плотности тока эмиссии J от величины макроскопического поля E и соответствующая характеристика Фаулера-Нордгейма (на врезке) [21]
Рис. 8. а - изображения использованных листов графеновой бумаги; б - схема, поясняющая метод изготовления цилиндрического эмиттера; в - фотография цилиндрического эмиттера; г - фотография эмиссионного изображения электронного пучка, сформированного катодом, на люминесцентном экране [21]. Диаметр катода 6 мм
кольцевого сечения диаметром 6 мм. С этих катодов в работе [21] были получены плотности токов приблизительно до 10 А/см2. Нужно отметить, что, несмотря на большие плотности полученных токов, катоды обоих типов обеспечивают сравнительно небольшие по абсолютной величине токи - приблизительно 8 мА, так как имеют малую площадь эмитирующей поверхности. Был испытан в работе и эмиттер небольшого диаметра (около 500 мкм), полученный в результате намотки графеновой бумаги на центральный кварцевый стержень диаметром 100 мкм (см. рис. 9). Максимальная плотность тока эмиссии с этого катода (3 А/см2) была меньше, чем в случае тонкостенных катодов, что неудивительно, так как меньше у этого катода было и усиление поля. Ток эмиссии с этого катода был около 6 мА.
Рис. 9. а-в - последовательность операций по изготовлению катода из графеновой бумаги; г - полученное с помощью растрового электронного микроскопа изображение графенового катода [21]
В подавляющем числе работ, посвященных исследованию возможностей получения больших токов полевой эмиссии, измерение эмиссионных характеристик созданных образцов проводится в диодах с малым (меньше 500...1000 мкм) зазором между катодом и анодом. Мера эта вынужденная. Действительно, для получения больших токов приходится использовать «распределенные» эмиттеры макроскопических размеров. Если фактор усиления поля для таких катодов невелик, то уменьшение зазора позволяет снизить порог появления полевой эмиссии и получать необходимые токи при умеренных напряжениях. Основные сведения об эмиссионных характеристиках графеновых катодов получены пока при напряжениях, не превышающих 1...3 кВ, и при сравнительно малых плотностях тока эмиссии. Даже в работе [21], где получены рекордные значения плотностей тока полевой эмиссии, около 10 А/см2, исследования стабильности функционирования эмиттера выполнены при много меньшей плотности тока эмиссии 3 ~ 100 мА/см2, полном токе меньше 1 мА и напряжении и ~ 2700 В. В этом «щадящем» режиме величина 3 уменьшилась за 6 часов всего на 6%. Однако, основываясь на проведенных испытаниях, трудно и в данном случае надежно оценить возможности использования графеновых эмиттеров в высоковольтных электронных приборах. Если предположить, что основными причинами деградации катодов являются ионное их распыление и/или разрушение из-за перегрева, то испытания на долговечность следовало бы выполнять при еще больших напряжениях и плотностях тока.
Катоды из графена имеют большую работу выхода 4.5...4.6 эВ. Уменьшение работы выхода при неизменном факторе усиления поля могло бы позволить существенно увеличить отбираемые с их поверхности токи. Ранее разрабатывались и разрабатываются в настоящее время методы уменьшения работы выхода эмиттеров из углеродных материалов. Авторами данной работы в обзоре [1] проведен анализ методов снижения работы выхода и достигнутых ко времени написания обзора результатов. Поэтому, не останавливаясь на старых данных, коротко опишем достижения последних лет, причем основываясь только на работах, посвященных снижению работы выхода графеновых эмиттеров. Авторами [22] теоретически изучены возможности изменения работы выхода графеновых образований разной формы в результате пассивирования их граней водородом и фтором, а также в результате допирования образцов бором, азотом и фосфором. Пассивация водородом и фтором позволяла снизить работу выхода граней миниатюрных графеновых лепестков приблизительно с 4.5 до 4.0 эВ. Введение в графеновый образец даже малых количеств азота (с концентрацией меньше 3%) вело к заметно большему падению работы выхода графеновых нанообразований (до 3 эВ). Теоретические выводы работы [22] объясняют полученные ранее результаты экспериментальных исследований [23], в которых было обнаружено, что пороги появления полевой эмиссии с допированных азотом графеновых пленок существенно ниже, чем у образцов, не допированных азотом.
Подводя итоги исследования графеновых полевых эмиттеров, можно сказать следующее.
К настоящему времени разработаны технологии создания графеновых пленок и предложен ряд методов активирования графеновых образований. Созданы графе-новые эмиттеры, обеспечивающие большие плотности тока полевой эмиссии (ориентировочно до 10 А/см2). Однако созданные эмиттеры пока не позволяют получать
достаточно большие токи эмиссии, необходимые для работы даже миниатюрных СВЧ-приборов. К тому же, пока не доказана возможность долговечной эксплуатации таких эмиттеров в высоковольтных электронных приборах при отборе с их поверхности больших по величине токов в условиях технического вакуума. Тем не менее возможности совершенствования графеновых эмиттеров пока не исчерпаны.
3. Полупроводниковые полевые эмиттеры
Достижения в исследовании полевых эмиттеров, изготовленных из неорганических полупроводников, обсуждаются в обзоре [24]. Здесь описаны характеристики эмиттеров из окиси цинка (ZnO), из сульфида цинка (ZnS), из оксида вольфрама (WO3), нитрида алюминия (AlN), из карбида кремния (SiC) и из кремния (Si). Основное внимание в обзоре уделено определению порогов появления полевой эмиссии с плотностями тока ~ 10 мкА/см2. Измерения выполнены в диодах с малым (порядка десятых долей миллиметра) расстоянием между катодом и анодом и в интервале напряжений, видимо, ограниченном сверху пробоем этого зазора.
Приведенные в [24] немногочисленные данные о работе полупроводниковых эмиттеров при больших плотностях тока J свидетельствуют, что максимальные значения J не превышают 0.9...1.2 мА/см2, если невелико усиление поля у эмиссионных центров на их поверхности. Так, например, для образца из случайным образом ориентированных нанопоясков ZnS с малым фактором усиления поля наибольшей была плотность тока эмиссии 0.68 мА/см2. Создание же упорядоченной структуры нанопоясков ZnS с большим фактором усиления поля 1850 позволяло повысить плотность тока эмиссии до 14.6 мА/см2, то есть более 20 раз.
В обзоре [24] содержится сравнительно мало данных об эмиттерах из кремния, несмотря на то, что именно этот материал представляется одним из наиболее освоенных и перспективных, во всяком случае, в микроэлектронике. Приведенные авторами эмиссионные характеристики получены с системы полусферических структур кремниевых нанопроволок, приготовленных с использованием довольно простой технологии термического напыления. Технология не требовала применения каких-либо трафаретов и металлических катализаторов, но созданные структуры обеспечивали (видимо, из-за взаимного экранирования) малое усиление поля ~ 424. Максимальные плотности тока эмиссии таких структур в диодах с малым (100...120 мкм) расстоянием между катодом и анодом не превышали 0.9 мА/см2.
Нам представляется, что для получения больших токов полевой эмиссии лучше подходят упорядоченные многоострийные структуры, обеспечивающие существенно большие усиления поля у поверхности острий, если невелик «эффект экранирования» поля, существующий при излишне малом расстоянии между остриями (см., например, [25-27]).
Как показывает опыт авторов данной статьи, многоострийные кремниевые структуры обладают рядом недостатков, важнейшими из которых являются невысокая их проводимость и малая прочность, а также малая долговечность при отборе больших токов в техническом вакууме. В работе [28] приведены результаты исследования возможностей повышения эксплуатационных характеристик многоострийных кремниевых катодов с помощью специальных покрытий.
Существенно дополняют обзор [24] информацией о получении больших токов полевой эмиссии материалы работ [29,30]. Авторами [29,30] исследовано функционирование эмиттеров из 2п0 и Как следует из [29], нано-игольчатые эмиттеры из окиси цинка способны обеспечить плотности тока полевой эмиссии около 900 мА/см2. Игольчатые эмиттеры из карбида кремния, согласно данным работы [30], позволяют отбирать токи полевой эмиссии плотностью около 80 мА/см2.
К сожалению, в работах [29,30] исследованы эмиттеры малой площади. Поэтому невелики были отбираемые с их поверхности полные токи эмиссии. Оценки, сделанные на основании приведенных в [29] данных, свидетельствуют, что с эмиттера из окиси цинка площадью около 1 мм2 могут быть получены токи эмиссии порядка 9 мА. Полные токи с эмиттера из карбида кремния [30] площадью ~ 2.4 • 10_3 см2 не превышали 200 мкА. Как и в публикациях, цитированных в предыдущих разделах, стабильность работы полупроводниковых эмиттеров исследовалась в диодах при малых напряжениях между катодом и анодом. Так, например, стабильность работы катода из 2п0 исследована при напряжении около 1000 В. Возможность эксплуатации полупроводниковых катодов в высоковольтных электронных приборах требует проверки.
В последние годы появились работы, посвященные разработке методов создания и исследованию характеристик нано-трубных полевых эмиттеров из двуокиси титана (ТЮ2). По мнению авторов [31], нано-трубные эмиттеры из ТЮ2 имеют ряд преимуществ по сравнению, например, с эмиттерами из углеродных нанотрубок. Прежде всего, они могут быть выращены на титановой подложке, а затем окислены. В этом случае гарантированы прочная связь и хороший электрический контакт на-нотрубок из двуокиси титана с подложкой, что зачастую трудно обеспечить в случае УНТ. Двуокись титана имеет при комнатной температуре высокую проводимость. Кроме того, работа выхода нанотрубок из двуокиси титана (3.9...4.5 эВ), как правило, меньше, чем у УНТ. Созданные в [31] структуры из двуокиси титана позволили получить плотности тока полевой эмиссии примерно до 6 мА/см2 и стабильно работали при таком токоотборе в течение более 500 часов при давлении остаточного газа ~ 6.6 х 10"5 Па. К сожалению, в данном случае, как и в рассмотренных ранее, контроль стабильности работы эмиттера проведен в диоде с малым зазором (400 мкм) между катодом и анодом и при малом напряжении (около 900 В). Поэтому возможность долговечной работы эмиттеров из двуокиси титана в высоковольтных электронных приборах нельзя считать доказанной.
Полезная информация о возможности совершенствования полевых эмиттеров из двуокиси титана позднее получена в работе [32]. Авторы обратили внимание на то, что обычно при создании структур из ТЮ2 в результате электрохимического окисления титана получается система близко расположенных нанотрубок. В результате велико взаимное экранирование трубок, что ведет к уменьшению поля у их поверхности. С другой стороны, было установлено, что выбор электролита и режима окисления влияет на структуру окисленной поверхности. На рис. 10 показаны получаемые структуры. На рис. 10, а - структура из плотно расположенных нанотрубок. На рис. 10, б и рис. 10, в - кластеризованные структуры, отличающиеся большим расстоянием между участками, где максимально усилено поле.
Авторы [32] измерили эмиссионные характеристики нанотрубных структур с разной морфологией поверхности. Измерения выполнены в диоде с расстоя-
нием 150 мкм между катодом и анодом. Катодные образцы имели площадь 5 х 5 мм2. Давление в приборе поддерживалось на уровне 5 ~ 10_7 Торр. В качестве анода использовалась медная сетка с прозрачностью 70%. Использование сетки было мотивировано желанием ускорить удаление из зазора катод-анод газов, десорбированных с анода под действием электронной бомбардировки.
В проведенных измерениях даже оптимальным образом кластеризованные структуры из двуокиси титана обеспечивали сравнительно небольшие плотности тока эмиссии, порядка 10 мА/см2 в исследованном интервале анодных напряжений (до ~ 1000 В), который, видимо, был ограничен пробойными явлениями в диоде с малым зазором между катодом и анодом.
Подводя итоги исследования полупроводниковых полевых эмиттеров, можно сделать следующие выводы.
К настоящему времени разработаны технологии создания полупроводниковых полевых эмиттеров; некоторые из них представляют интерес для использования в высоковольтных электронных приборах. Судя по литературным данным, принципиально могут быть перспективны для таких приложений, например, эмиттеры из оксида цинка и из карбида кремния, которые позволяют получать плотности тока эмиссии более нескольких десятков миллиампер с квадратного сантиметра. Однако пока
практически отсутствует информация о работе таких эмиттеров при высоких напряжениях, и необходимы дополнительные исследования возможности их использования. Представляют интерес для указанных приложений и эмиттеры из двуокиси титана. Их отличают сравнительная простота в изготовлении, а также органично присущее им качество: прочная связь и хороший электрический контакт нанотруб-ных источников эмиссии с подложкой. Но исследования эмиттеров из двуокиси титана находятся пока в начальной стадии и необходимо их продолжение. Как и для эмиттеров, рассмотренных в предыдущих разделах, остается пока открытым вопрос о том, как обеспечить долговечную работу полупроводниковых эмиттеров в техническом вакууме в условиях интенсивной ионной бомбардировки.
Рис. 10. Полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения поверхности катода из двуокиси титана [31]. а - структура из плотно расположенных нанотрубок, б и в - кластеризованные структуры, отличающиеся большим расстоянием между участками, где усилено поле
Заключение
Приведенный обзор литературных данных свидетельствует:
• Токовые характеристики лучших полевых эмиттеров из УНТ позволяют их использовать во многих электронных устройствах, в том числе, и в высоковольтных.
• Лучшие полевые эмиттеры из графена перспективны, но пока не обеспечивают достаточно больших полных токов полевой эмиссии.
• Возможность УНТ и графеновых катодов долговечно работать в высоковольтных приборах при отборе больших плотностей токов и в условиях технического вакуума пока вызывает сомнение и требует проверки.
• Изготовление эффективных полевых эмиттеров из УНТ и графена требует использования чрезвычайно сложных технологий.
• Пока не доказана возможность практического использования пролупроводни-ковых полевых эмиттеров. Однако представляется целесообразным продолжить их исследование. Некоторые из них после определенной доработки могут оказаться конкурентоспособными по сравнению с другими типами эмиттеров.
Библиографический список
1. Тумарева Т.А., Соминский Г.Г. Разработка и совершенствование полевых эмиттеров на основе содержащих углерод материалов // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17, № 3. С. 17.
2. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Автоэлектронная эмиссия. Принципы и приборы. СПб: Интеллект, 2011. 704 с.
3. Синицын Н.И., Гуляев Ю.В., Девятков Н.Д. и др. Углеродные нанокластерные структуры - один из материалов эмиссионной электроники будущего // Радиотехника. 2000, № 2. С. 9.
4. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Изд. МФТИ, 2001. 288 с.
5. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // УФН. 2002. Т. 172. С. 401.
6. Елецкий А.В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок. // УФН. 2010. Т. 180, № 9. С. 897.
7. Fursey G.N., Novikov D.V., Dyuzhev G.A. et al. The field emission from carbon nanotubes. //Appl. Surf. Sci. 2003. Vol. 215. P. 135.
8. Андреев К.В., Григорьев Ю.А., Милютин Д.Д. и др. Импульсные автоэмиссионные источники электронов на основе углеродных микро и наноструктур для лучевых СВЧ-приборов: численное и экспериментальное исследование. //В сборнике: Материалы 13 зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике (31 января - 5 февраля 2006 г.). Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2006. С. 64.
9. Lahiri I., Seelaboyina R., Hwang J.Y., Banerjee R., Choi W. Enhanced field emission from multi-walled carbon nanotubes grown on pure copper substrate // Carbon. 2010. Vol. 48. P. 1531.
10. Lahiri I., Wong J., Zhou Z., Choi W. Ultra-high current density carbon nanotube field emitter structure on three-dimensional micro-channeled copper //Appl. Phys Lett. 2012. Vol. 101. 063110.
11. Li C., Zhang Y., MannM., HaskoD., Lei W., WangB., ChuD., PribatD., Amaratunga G.A.J., and Milne W.I. High emission current density, vertically aligned carbon nanotube mesh, field emitter array //Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 113107.
12. Chen Z, Zhang Q., Lan P., Zhu B., Yu T., Cao G. and den Engelsen D. Ultrahigh-current field emission from sandwich-grown well-aligned uniform multi-walled carbon nanotube arrays with high adherence strength //Nanotechnology. 2007. Vol. 18. 265702.
13. Yuning Sun, DongHoon Shin, Ki Nam Yun, Yeon Mo Hwang,Yenan Song, Guillaume Leti, Seok-Gy Jeon, Jung-Il Kim, Yahachi Saito, and Cheol Jin Lee. Field emission behavior of carbon nanotube field emitters after high temperature thermal annealing // AIP Advances. 2014. Vol. 4. 077110.
14. PandeyS., RaiP., PatoleS, GunesF., won G-D., YooJ-B., NikolaevP., and Arepallil S. Improved electron field emission from morphologically disordered monolayer graphene // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. 043104.
15. Koh A.T., Foong Y.M., Pan L., Sun Z., and Chua D.H.C. Effective large-area freestanding graphene field emitters by electrophoretic deposition // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. 183107.
16. Song Y., Shin D.H., Song Y-H., Saito Y., and Leel C.J.High performance field emission properties of graphite nanoplatelet field emitters // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103. 073112.
17. Zhicheng Yang, Qing Zhao, Yongxi Ou, Wei Wang, Heng Li, and Dapeng Yua. Enhanced field emission from large scale uniform monolayer graphene supported by well-aligned ZnO nanowire arrays // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. 173107.
18. Ye D., Moussa S., Ferguson J.D., Baski A.A., and El-Shall M.S. High efficient electron field emission from graphene oxide sheets supported by nickel nanotip arrays // NANO Letters. 2012. Vol. 12. P. 1265.
19. Devarapalli R.R., Kashid R.V., Deshmukh A.B., Sharma P., Das M.R., More M.A. and Shelke M.V. High efficiency electron field emission from protruded graphene oxide nanosheets on sharp silicon nanowires // J. of Materials Chemistry C. 2013. Vol. 1. P. 5040.
20. Liu J., Zeng B., Wu Z., Zhu J., and Liu X. Improved field emission property of graphene paper by plasma treatment // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 033109.
21. Liu J., Zeng B., Wang W., LiN., Guo J., Fang Y., Deng J., Li J., and Hao C. Graphen electron cannon: High-current edge emission from aligned graphene sheets //Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. 023101.
22. Kvashnin G.G., Sorokin P.B., Bruning J.W. and Chernozatonskii L.A. The impact of edges and dopants on the work function of graphene nanostructures: The way to high electronic emission from pure carbon medium // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. 183112.
23. Palnitkar U.A., Kashid R.V., More M.A., Joag D.S., Panchakarla L.S., and Raol C.N.R. Remarkably low turn-on field emission in undoped, nitrogen-doped, and boron-doped graphene // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 063102.
24. Fang X., Bando Y. et al. Inorganic semiconductor nanostructures and their fieldemission applications //J. of Materials Chemistry. 2008. Vol. 18. P. 509.
25. Гиваргизов Е.И. Управляемый рост нитевидных кристаллов и создание монокристаллических вискерных зондов // Кристаллография. 2006. Т. 51, № 5. С. 947.
26. Huang G.S., Wu X.L., Cheng Y.C., et al. Fabrication and field emission property of a Si nanotip array //Nanotechnology. 2006. Vol. 17, № 22. P. 5573.
27. Бочаров Г.С., Елецкий А.В. Влияние экранировки на эмиссионные характеристики холодных полевых катодов на основе углеродных нанотрубок // ЖТФ. 2005. Т. 75, № 7. С. 126.
28. Соминский Г.Г., Сезонов В.Е., Тарадаев Е.П., Тумарева Т.А., Задиранов Ю.М., Корнишин С.Ю., Степанова А.Н. Полевые эмиттеры нового типа для высоковольтных электронных устройств // Известия вузов. Радиофизика. 2015, в печати.
29. Li Y.B., Bando Y., Golberg D. ZnO nanoneedles with tip surface perturbations: Excellent field emitters // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 18. P. 3603.
30. Wu Z.S., Deng S.Z., et al. Needle-shaped silicon carbide nanowires: Syntesis and field electron emission properties // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80, № 20. P. 3829.
31. Alivov Y., Klopfer M., and Molloi S. Tio2 nanotubes as a cold cathode for x-ray generation // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. 243502.
32. Alivov Y., Klopfer M., and Molloi S. Enhanced field emission from clustered TiO2 nanotube arrays // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. 063104.
References
1. Tumareva T.A., Sominski G.G. Development and improvement of field emitters based on carbon-containing materials // Izvestiya vuzov. Prikladnaya nelineynaya dinamika. 2009. Vol. 17, № 3. S. 17. (In Russian).
2. Egorov N.V., Sheshin E.P. Field emission. Principles and devices. St. Petersburg: Intellect, 2011. 704 s. (In Russian).
3. Sinitsyn N.I., Gulyaev Yu.V., Devyatkov N.D. et al. Carbon nanocluster structures -one of the materials of emission electronics of the future // Radiotechnika. 2000. № 2. P. 9.
4. Sheshin E.P. Surface structure and field emission properties of carbon materials. M.: Izd. MFTI, 2001, 288 p. (In Russian).
5. Eletskiy A.V. Carbon nanotubes and their emission properties // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2002. Vol. 172. P. 401.
6. Eletskiy A.V. Cold field emitters based on carbon nanotubes // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2010. Vol. 180, № 9. P. 897.
7. Fursey G.N., Novikov D.V., Dyuzhev G.A. et al. The field emission from carbon nanotubes //Appl. Surf. Sci. 2003. Vol. 215. P. 135.
8. Andreev K.V., Grigoriev Yu.A., Milyutin D.D. et al. Pulsed field emission sources of electrons based on carbon of micro and nanostructures for beam microwave devices:
numerical and experimental investigation. // In: Proceedings of 13th Winter School-Seminar on Microwave Electronics and Radiophysics (January 31 - February 5, 2006). Saratov. 2006. Izd. Gos.UNC «Kolledzh». S .64. (In Russian).
9. Lahiri I., Seelaboyina R., Hwang J.Y., Banerjee R., Choi W. Enhanced field emission from multi-walled carbon nanotubes grown on pure copper substrate // Carbon. 2010. Vol. 48. P. 1531.
10. Lahiri I., Wong J., Zhou Z., Choi W. Ultra-high current density carbon nanotube field emitter structure on three-dimensional micro-channeled copper // Appl. Phys Lett. 2012. Vol. 101. 063110.
11. Li C., Zhang Y., MannM., HaskoD., Lei W., WangB., ChuD., PribatD., Amaratunga G.A.J., and Milne W.I. High emission current density, vertically aligned carbon nanotube mesh, field emitter array // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 113107.
12. Chen Z, Zhang Q., Lan P., Zhu B., Yu T., Cao G. and den Engelsen D. Ultrahigh-current field emission from sandwich-grown well-aligned uniform multi-walled carbon nanotube arrays with high adherence strength // Nanotechnology. 2007. Vol. 18. 265702.
13. Yuning Sun, Dong Hoon Shin, Ki Nam Yun, Yeon Mo Hwang, Yenan Song, Guillaume Leti, Seok-Gy Jeon, Jung-Il Kim, Yahachi Saito, and Cheol Jin Lee. Field emission behavior of carbon nanotube field emitters after high temperature thermal annealing // AIP Advances. 2014. Vol. 4. 077110.
14. PandeyS., Rai P., PatoleS, GunesF., won G-D., YooJ-B., NikolaevP., and Arepallil S. Improved electron field emission from morphologically disordered monolayer graphene // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. 043104.
15. Koh A.T., Foong Y.M., Pan L., Sun Z., and Chua D.H.C. Effective large-area freestanding graphene field emitters by electrophoretic deposition // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. 183107.
16. Song Y., Shin D.H., Song Y-H., Saito Y., and Leel C.J.High performance field emission properties of graphite nanoplatelet field emitters // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103. 073112.
17. Zhicheng Yang, Qing Zhao, Yongxi Ou, Wei Wang, Heng Li, and Dapeng Yua. Enhanced field emission from large scale uniform monolayer graphene supported by well-aligned ZnO nanowire arrays // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. 173107.
18. Ye D., Moussa S., Ferguson J.D., Baski A.A., and El-Shall M.S. High efficient electron field emission from graphene oxide sheets supported by nickel nanotip arrays // NANO Letters. 2012. Vol. 12. P. 1265.
19. Devarapalli R.R., Kashid R.V., Deshmukh A.B., Sharma P., Das M.R., More M.A. and Shelke M.V. High efficiency electron field emission from protruded graphene oxide nanosheets on sharp silicon nanowires // J. of Materials Chemistry C. 2013. Vol. 1. P. 5040.
20. Liu J., Zeng B., Wu Z., Zhu J., and Liu X. Improved field emission property of graphene paper by plasma treatment // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 033109.
21. Liu J., Zeng B., Wang W., LiN., Guo J., Fang Y., Deng J., Li J., and Hao C. Graphen electron cannon: High-current edge emission from aligned graphene sheets // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. 023101.
22. Kvashnin G.G., Sorokin P.B., Bruning J.W. and Chernozatonskii L.A. The impact of edges and dopants on the work function of graphene nanostructures: The way to high electronic emission from pure carbon medium // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. 183112.
23. Palnitkar U.A., Kashid R.V., More M.A., Joag D.S., Panchakarla L.S., and Rao1 C.N.R. Remarkably low turn-on field emission in undoped, nitrogen-doped, and boron-doped graphene // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97. 063102.
24. Fang X., Bando Y. et al. Inorganic semiconductor nanostructures and their fieldemission applications // J. of Materials Chemistry. 2008. Vol. 18. P. 509.
25. Givargizov E.I. Controllable whisker growth and creation of single-crystal whisker probes // Crystallography Reports. 2006. Vol. 51, № 5. P. 947.
26. Huang G.S., Wu X.L., Cheng Y.C., et al. Fabrication and field emission property of a Si nanotip array // Nanotechnology. 2006. Vol. 17, № 22. P. 5573.
27. Bocharov G.S., Eletskii A.V. Effect of screening on the emissivity of field electron emitters based on carbon nanotubes // Tech. Phys. 2005. Vol. 50, № 7. P. 944.
28. Sominski G.G., Sezonov V.E., Taradaev E.P., Tumareva T.A., Zadiranov Yu.M., Kornishin S.Yu., Stepanova A.N.Field emitters of a new type for high-voltage electron devices. // Radiophysics and Quantum Electronics, 2015, in print.
29. Li Y.B., Bando Y., Golberg D. ZnO nanoneedles with tip surface perturbations: Excellent field emitters // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 18. P. 3603.
30. Wu Z.S., Deng S.Z., et al. Needle-shaped silicon carbide nanowires: Syntesis and field electron emission properties // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80, № 20. P. 3829.
31. Alivov Y., Klopfer M., and Molloi S. Tio2 nanotubes as a cold cathode for x-ray generation // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. 243502.
32. Alivov Y., Klopfer M., and Molloi S. Enhanced field emission from clustered TiO2 nanotube arrays // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. 063104.
Поступила в редакцию 24.03.2015
PROSPECTIVE FIELD EMITTERS MADE FROM CARBON NANOTUBES, GRAPHENE AND SEMICONDUCTORS
Recent developments
G. G. Sominski, T. A. Tumareva
St. Petersburg Polytechnical University of Peter the Great
The article presents the latest published in the literature data on the development and research of promising field emitters made from carbon nanotubes, graphene and semiconductors. The possibilities of obtaining high densities and currents of field emission, as well as opportunities to ensure long-term operation of emitters in high-voltage electron devices are analyzed.
Keywords: Field emitter, carbon nanotubes, graphene, semiconductor, high currents, technical vacuum, high durability.
Тумарева Татьяна Алексеевна - родилась в Ленинграде (1937), окончила (1960) Ленинградский политехнический институт (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - СПбПУ). После окончания работала в Государственном оптическом институте, а с 1964 года - в ЛПИ (позднее СПбПУ). Защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математический наук (ЛПИ, 1972), посвященную созданию и исследованию полевых эмиттеров с разнообразными активирующими покрытиями. В настоящее время - старший научный сотрудник кафедры физической электроники СПбПУ Научные интересы связаны с разработкой и исследованием полевых эмиттеров. Разработала оригинальные методы диагностики полевых эмиттеров и формируемых ими электронных потоков. Разработала преспектив-ные полевые эмиттеры с фуллереновыми покрытиями. Автор около 150 печатных работ и 5 изобретений.
195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
E-mail: tumareva@rphf.spbstu.ru
Соминский Геннадий Гиршевич - родился (1935) в Ленинграде, окончил (1960) Ленинградский политехнический институт (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - СПбПУ). Защитил кандидатскую диссертацию (1967) и диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (1984). Докторская диссертация была посвящена исследованию мощных СВЧ-устройств со скрещенными полями. С 1960 года работает на кафедре физической электроники СПбПУ, профессор (с 1991). В 1968 году организовал на кафедре лабораторию сильноточной и СВЧ электроники и руководит ею по настоящее время. Область основных научных интересов: процессы в пространственном заряде и их влияние на работу сильноточных электронных устройств. Кроме того, занимается разработкой и исследованием полевых эмиттеров для формирования интенсивных электронных потоков. Автор около 300 печатных работ и 21 изобретения.
195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
E-mail: sominski@rphf.spbstu.ru
