CC BY
6
БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 307-315
Izvestiya of Saratov University. Physics, 2023, vol. 23, iss. 4, pp. 307-315
https://fizika.sgu.ru https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-4-307-315, EDN: TZUMAT
Научная статья УДК 538.9
Влияние функционализации на электрофизические свойства лазерно-структурированных гибридных углеродных наноматериалов
А. В. Куксин1, А. Ю. Герасименко12, Ю. П. Шаман3 4, А. А. Шаманаев3 , А. В. Сыса3 , О. Е. Глухова2'5 н
1 Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», Россия, 124498, г. Москва, Зеленоград, площадь Шокина, д. 1
2 Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова, Россия, 119991, г. Москва, ул. Большая Пироговская, д. 2, стр. 4
3«Научно-производственный комплекс «Технологический центр», Россия, 124498, г. Москва, Зеленоград, пл. Шокина, д. 1, стр. 7
4 Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, Россия, 119334, г. Москва, Ленинский проспект, д. 32А
5Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83
Куксин Артем Викторович, аспирант Института биомедицинских систем, nix007@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8406-9977
Герасименко Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, 1 старший научный сотрудник Института биомедицинских систем;2заведующий лабораторией биомедицинских нанотехнологий, gerasimenko@bms.zone, https://orcid.org/0000-0001-6514-2411 Шаман Юрий Петрович, 3старший научный сотрудник; 4старший научный сотрудник, yu.shaman@tcen.ru, https://orcid.org/0000-0001-7577-4746
Шаманаев Артемий Андреевич, младший научный сотрудник, artemiy.shamanaev@tcen.ru, https://orcid.org/0009-0005-8602-1180
Сыса Артём Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, sysa.artem@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-5010-7071
Глухова Ольга Евгеньевна, доктор физико-математических наук,2ведущий научный сотрудник лаборатории биомедицинских нанотехнологий;5заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики, glukhovaoe@info.sgu.ru, https://orcid.org/0000-0002-5670-2058
Аннотация. Актуальной задачей автоэмиссионной электроники является снижение рабочего напряжения для получения эмиссионного тока заданной плотности. Для решения этой проблемы необходим эмиттер с малой работой выхода. Перспективными кандидатами на роль полевых эмиттеров являются углеродные наноматериалы, однако для снижения работы выхода электронов из этих наноматериалов необходимо проводить функционализацию их поверхности другими наноструктурами, обладающими низкой работой выхода. В данной работе экспериментально исследовано влияние функционализации наночастицами гекса-борида лантана ^аВ6) на электрофизические свойства наноматериалов на основе массива углеродных нанотрубок (УНТ). С помощью разработанной технологии лазерного воздействия был создан гибридный наноматериал на основе вертикального массива УНТ, функцио-нализированных наночастицами LaB6. Импульсное лазерное воздействие на массив УНТ с плотностью энергии 0.15 Дж/см2 позволило укоротить, выровнять и структурировать верхние концы нанотрубок перпендикулярно подложке. Экспериментально установлен эффект
НАУЧНЫЙ ОТДЕЛ
© Куксин А. ВГерасименко А. Ю., Шаман Ю. П., Шаманаев А. А., Сыса А. В., Глухова О. Е, 2023
образования гибридной наноструктуры путем связывания наночастиц LaB6 с поверхностью УНТ. Регистрация эмиссионных вольт-амперных характеристик гибридных наноматериалов показала снижение полной работы выхода гибридного наноматериала на 78% после функционализации наночастицами LaB6. На основании полученных результатов прогнозируется, что гибридные наноструктуры УНТ+LaBe имеют большой потенциал для применения в качестве наноматериалов для автоэмиссионной электроники. Ключевые слова: полевая эмиссионная электроника, углеродные нанотрубки, графен, наночастицы LaB6, лазерное воздействие
Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-19-00226).
Для цитирования: КуксинА. В., Герасименко А. Ю., Шаман Ю. П., ШаманаевА. А., СысаА. В., Глухова О. Е. Влияние функционализации на электрофизические свойства лазерно-структурированных гибридных углеродных наноматериалов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 307-315. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-4-307-315, EDN: TZUMAT Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0)
Effect of functionalization on the electrical properties of laser-structured hybrid carbon nanomaterials
A. V. Kuksin1, A. Yu. Gerasimenko12, Y. P. Shaman34, A. A. Shamanaev3, A. V. Sysa3, O. E. Glukhova2'50
1 National Research University "Moscow Institute of Electronic Technology", 1 Shokin Square, Zelenograd, Moscow 124498, Russia 21. M. Sechenov First Moscow State Medical University, 2-4 Bolshaya Pirogovskaya St., Moscow 119991, Russia 3Scientific-Manufacturing Complex "Technological Centre", 1 Shokin Square, Moscow 124498, Russia
institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, 32A Leninsky Prospekt, Moscow 119991, Russia 5Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia
Artem V. Kuksin, nix007@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-8406-9977
Alexander Yu. Gerasimenko,gerasimenko@bms.zone, https://orcid.org/0000-0001-6514-2411
Yury P. Shaman, yu.shaman@tcen.ru, https://orcid.org/0000-0001-7577-4746
ArtemiyA. Shamanaev, artemiy.shamanaev@tcen.ru, https://orcid.org/0009-0005-8602-1180
Artem V. Sysa, sysa.artem@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-5010-7071
Olga E. Glukhova, glukhovaoe@info.sgu.ru, https://orcid.org/0000-0002-5670-2058
Abstract. Background and Objectives: An urgent task of field emission electronics is to reduce the operatingvoltage in order to obtain an emission current of a given density. To solve this problem, an emitter with a low work function is needed. Carbon nanomaterials are promising candidates for the role of field emitters; however, to reduce the work function of electrons from these nanomaterials, it is necessary to functionalize their surface with other nanostructures with a low work function. In this work, we experimentally studied the effect of functionalization of lanthanum hexaboride (LaB6) with nanoparticles on the electrical properties of nanomaterials based on an array of carbon nanotubes (CNTs). Materials and Methods: Using the developed technology of laser exposure, a hybrid nanomaterial was created based on a vertical array of CNTs functionalized with LaB6 nanoparticles. Pulsed laser action on an array of CNTs with an energy density of 0.15 J/cm2 made it possible to shorten, align, and structure the upper ends of the nanotubes perpendicular to the substrate. Results: The effect of the formation of a hybrid nanostructure by binding LaB6 nanoparticles to the CNT surface has been experimentally established. Registration of the emission current-voltage characteristics of hybrid nanomaterials has shown a decrease in the total work function of the hybrid nanomaterial by 78% after functionalization with LaB6 nanoparticles. Conclusion: Based on the results obtained, it is predicted that CNT+LaB6 hybrid nanostructures have a great potential for application as nanomaterials for field emission electronics.
Keywords: field emission electronics, carbon nanotubes, graphene, LaB6 nanoparticles, laser action Acknowledgements: This work was supported by the Russian Science Foundation (project No. 21-19-00226).
For citation: Kuksin A. V., Gerasimenko A. Yu., Shaman Y. P., Shamanaev A. A., Sysa A. V., Glukhova O. E. Effect of functionalization on the electrical properties of laser-structured hybrid carbon nanomaterials. Izvestiya of Saratov University Physics, 2023, vol. 23, iss. 4, рр. 307-315 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-4-307-315, EDN: TZUMAT
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC0-BY 4.0)
Введение
В настоящее время электронно-эмиссионные устройства широко используются в различных приложениях, включая плоскопанельные дисплеи, мощные вакуумные источники электронов терагерцового излучения, сканирующую туннельную микроскопию, электронно-лучевую нанолитографию, лазеры на свободных электронах и рентгеновские трубки [1-6]. Как известно, процесс полевой эмиссии электронов в вакуум реализуется при больших полях, необходимых
для снижения потенциального барьера для электронов [7]. В связи с этим актуальной задачей автоэмиссионной электроники является снижение рабочего напряжения для получения эмиссионного тока заданной плотности. Для решения этой проблемы необходим эмиттер с малой работой выхода. Перспективными кандидатами на роль полевых эмиттеров являются углеродные нано-материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен [8-18]. Однако углеродные нанома-териалы характеризуются достаточной большой
работой выхода электронов ^4.6-4.7 эВ, что заставляет искать пути их эффективной функци-онализации другими наноструктурами, обладающими низкой работой выхода. Примером таких наноструктур являются наностержни, нанопро-волоки, наночастицы и другие нанопокрытия из рутения, бария, LaB6, ВаО, ШС, СиО и других соединений [19-22].
В последние годы появилось достаточно много работ, в которых сообщается о перспективах использования гексаборида лантана (ЬаВ6) для создания автоэмиссионных катодов, в том числе катодов на основе графена с улучшенными характеристиками. Неоспоримыми преимуществами LaB6 являются его низкая работа выхода (2.6-3.2 эВ), высокая химическая стабильность, высокая проводимость и температура плавления [23-31]. Было продемонстрировано, что катод с полевым эмиттером на основе поликристалла LaB6 демонстрирует отличные эмиссионные характеристики, в частности ток эмиссии 8.2 мкА при напряжении 2000 В после обработки поверхности эмиттера кислородной плазмой в течение 2 минут [27]. В работе [28] представлен импульсный вакуумно-дуговой источник ионов с катодом на основе LaB6, предназначенный для высоко-дозной ионной имплантации без использования накальных схем, подачи газа и откачки. Эффект снижения работы выхода LaB6 на 0.4 эВ за счет покрытия монослоем гексагонального нитрида бора выявлен в работе [29]. Обнаружено, что катод на основе графитовой пленки, нанесенный на LaB6, обладал гораздо лучшими полевыми эмиссионными характеристиками, чем катод из чистого графита. Было продемонстрировано, что при толщине пленки LaB6 90 нм ток эмиссии увеличивается с 153 до 850 мкА при напряженности приложенного электрического поля 6.7 В/мкм, а поле включения уменьшается с 2.3 до 1.0 В/мкм [30]. Экспериментально показана возможность эффективного управления работой выхода в гибридных полевых эмиттерах на основе многослойного графена на кремниевых микромассивах с использованием наночастиц LaB6, покрывающих графен. Установлено, что использование наночастиц LaB6 позволяет в 5 раз уменьшить электрическое поле включения, необходимое для получения плотности тока эмиссии 10 мкА/см2 [31]. Обзор последних исследований в области создания источников полевой эмиссии позволяет сделать вывод, что использование углеродных наноматериалов и наночастиц LaB6
в качестве функционализирующей добавки является одним из ключевых способов создания полевых эмиттеров с низкой работой выхода и высокими эмиссионными характеристиками.
В данной работе рассматривается углеродный наноматериал на основе массива УНТ, функционализированный наночастицами LaB6. Целью работы является выявление закономерностей влияния наночастиц LaB6 на электронные и эмиссионные свойства углеродного наномате-риала.
1. Методы и подходы
1.1. Создание образцов на основе УНТ
Вертикальные массивы УНТ использовались для изучения влияния функционализации углеродных наноматериалов на их электрофизические характеристики. Такие массивы лучше всего зарекомендовали себя для создания полевых эмиссионных катодов [32, 33]. Эффект полевой эмиссии в таких вертикально вытянутых структурах достигается за счет высокого аспектного соотношения длины и диаметра УНТ, высокого коэффициента усиления поля и низкой работы выхода электронов [34-37]. Вертикальные массивы многостенных углеродных нано-трубок (МУНТ) были синтезированы методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. В качестве подложек использовались квадратные пластины сильнолегированного монокристаллического кремния с проводимостью электронного типа размером 5x5 мм. Изначально каталитическая пара Ti (10 нм) и Ni (2 нм) наносилась на подложку, обработанную в растворе Пираньи методом электронно-лучевого испарения. Далее проводились стадии окислительного и восстановительного отжига для формирования на подложке наночастиц катализатора. Для синтеза массивов МУНТ использовалась установка Oxford PlasmaLab System 100. Дополнительно система была модернизирована до триодной: между областью горения плазмы и подложкой располагался электрод в виде микросетки, отсекающий ионы и пропускающий радикалы, с размером ячейки 30 мкм.
Процесс синтеза проводился в три стадии:
1) окисление при 280°С в течение 10 мин в О2 и Ar (100 и 100 см3/мин соответственно), давление 2.5 Торр с ВЧ-плазмой мощностью 100 Вт;
2) восстановление при 700°С в течение 10 мин в Ar и NH3 (100 и 100 см3/мин соответствен-
но), 3 Торр, с ВЧ-плазмой при мощности 100 Вт;
3) рост массива МУНТ происходил в течение 5 мин при той же температуре 700°С в среде C2H2/NH3/Ar (100/100/300 см3/мин соответственно), давление 3 Торр, при мощности РЧ и НЧ плазмы 60 и 40 Вт соответственно.
1.2. Функционализация образцов на основе УНТ
Для функционализации вертикальных массивов МУНТ на их поверхность наносился слой частиц LaB6. Нанесение LaB6 осуществлялось методом магнетронного напыления с планетарным вращением держателя для равномерности и изотропности покрытия образцов. Камеру предварительно откачивали до 5 х 10~3 Па. В процессе напыления давление Ar в камере составляло 0.5 Па, мощность источника - 250 Вт.
Полученные образцы массивов МУНТ со слоем наночастиц LaB6 подвергались лазерному воздействию для формирования гибридного наноматериала. Использовалась лазерная установка, основным элементом которой был Yb-лазер, генерирующий излучение на основной гармонике с длиной волны в ИК-диапазоне 1064 нм. Лазер работал в импульсном режиме, длительность импульса 100 нс, частота 30 кГц. Для формирования автокатодов заданной площади использовалась сканирующая система позиционирования лазерного луча на плоскости. На массивы МУНТ воздействовали отдельными импульсами с диаметром пятна ^35 мкм и расстоянием между центрами пятен 17 мкм с формированием обрабатываемой области размером 1.4x1.4 мм. Скорость перемещения луча составляла 240 мм/с. Пучок фокусировался с помощью объектива, обеспечивающего дифракционную длину, превышающую высоту массива МУНТ. Профиль лазерного луча имел гауссову форму. Для исключения влияния атмосферы на структуру МУНТ при лазерном воздействии использовалась камера с инертным газом Ar.
Таким образом, функционализация вертикального массива углеродных нанотрубок и формирование гибридного наноматериала осуществлялись путем интеркалирования углеродной наноструктуры нановключениями LaB6 с использованием лазерного излучения. В качестве образца сравнения брали один участок, не подвергавшийся лазерному воздействию.
1.3. Исследования структуры наноматериалов
Исследования наноструктуры углеродных наноматериалов в исходном виде и в гибридном виде на Si подложках проводились с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Helios G4 (FEI Ltd., Hillsboro, OR, USA). Ускоряющее напряжение электронной колонны 1 кВ, ток электронного зонда 50 пА. Давление в вакуумной камере составляло 3.9х 10~4 Па. Для получения изображений вертикальных наноструктур использовалась конфигурация, когда предметный столик поворачивался относительно эмиттера электронов под углом 52°. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) проводилась с помощью комплекса Quantax XFlash 6 (Bruker, США) с модульной системой дифракции обратнорассеянных электронов в вакуумной камере электронного микроскопа.
1.4. Исследование полевых эмиссионных характеристик наноматериалов
Исследование полевых эмиссионных вольт-амперных характеристик (ВАХ) образцов исходных и функционализированных массивов МУНТ проводилось в вакуумной камере при давлении 1х10~6 мбар с использованием системы позиционирования MKC-3D на основе линейных позиционеров SLC-17 (SmartAct). Точность позиционирования по осям X, Y и Z составляла не менее 50 нм. На систему позиционирования был установлен анод с радиусом кривизны 350 мкм для измерения токовых характеристик. Полевые эмиссионные характеристики измерялись с помощью высоковольтного источника-измерителя Keithley 2410C (Keithley Instruments, США).
2. Структура наноматериала на основе МУНТ до и после функционализации
Средний диаметр нанотрубок в вертикальном массиве в основном определяется размером наночастиц катализатора, образующихся в процессе синтеза на подложке. Как видно из рис. 1, а, б, синтезированные МУНТ имели диаметры 20-25 нм. При росте массива с высокой плотностью нанотрубки удерживаются силами Ван-дер-Ваальса, поэтому нанотрубки растут вертикально вверх и преимущественно параллельно друг другу. Однако верхние концы нанотрубок направлены хаотично и имеют разную длину (см. рис. 1, б). Такая морфология массива нанотрубок не оптимальна для создания эффективных полевых эмиттеров электронов [38, 39].
Рис. 1. СЭМ-изображения: а, б - исходный массив МУНТ, в, г - массив МУНТ после лазерного воздействия с плотностью энергии 0.5 Дж/см2, д,е - массив МУНТ после нанесения слоя LaBg, ж, з - массив МУНТ после нанесения слоя LaBg и лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2
Fig. 1. SEM images of the initial MWNT array (a, b), MWNT array after laser exposure with an energy density of 0.15 J/cm2 (c, d), MWNT array after deposition of the LaBg layer (e, f), MWCNT array after deposition LaBg layer and laser exposure
with an energy density of 0.15 J/cm2 (g, h)
В результате лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2 был достигнут эффект вертикального структурирования нанотру-бок (рис. 1, в, г). Лазерные импульсы позволяли укоротить, выровнять и ориентировать верхние концы нанотрубок перпендикулярно относительно подложки. Подбиралась оптимальная плотность лазерной энергии, которая способствовала вертикальному структурированию нанотрубок в массиве. При воздействии плотностью энергии ниже выбранной эффект структурирования не достигался, морфология массива в основном оставалась прежней. Более высокие плотности энергии привели к абляции нанотрубок. Воздействие проводилось в среде инертного газа Аг, поэтому при взаимодействии нанотрубок с на-носекундным импульсным лазерным излучением с выбранной плотностью энергии не происходило существенного образования аморфного углерода на их поверхностях.
Для функционализации исходных вертикальных массивов УНТ на их поверхность наносился слой наночастиц LaBg. Изображения массива нанотрубок после осаждения LaB6, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), представлены на рис. 1, д, е. Из полученных изображений видно, что поверхности нанотрубок покрыты наночастицами LaBg. Верхние концы нанотрубок изогнуты, что связано с воздействием падающих частиц LaB6 при магнетронном распылении.
После осаждения наночастиц LaBg на поверхность массива нанотрубок производилось лазерное воздействие с заранее выбранной плотностью энергии 0.15 Дж/см2. Нанотрубки выглядели вертикально выпрямленными относительно подложки (рис. 1, ж,з). Из выпрямленных на-нотрубок формировались пучки. Такие пучки могут выступать в качестве эффективных локаль-
ных источников электронов. Поверхности пучков нанотрубок содержали частицы LaBg. Таким образом, помимо эффекта вертикального структурирования пучков нанотрубок, был достигнут эффект связывания частиц LaB6 с поверхностью углеродных трубок и образования гибридной наноструктуры.
Методом ЭДС определялся химический состав наноматериалов на основе вертикальных массивов МУНТ до и после нанесения слоя LaB6. Массовые проценты содержания веществ в массивах МУНТ представлены в таблице. Видно, что после осаждения LaBg в определяемом химическом составе исследуемого образца присутствует лантан ^а). Отсутствие бора (В) в химическом составе связано с ограничениями метода ЭДС при обнаружении легких элементов. Помимо углерода, массив содержал частицы никеля (№). Это можно объяснить тем, что при синтезе массивов углеродных нанотрубок использовались катализаторы, в том числе №. Подложкой служил кристалл кремния ф), поэтому исследование методом ЭДС показало присутствие Si.
Таким образом, результаты исследования ЭДС подтвердили данные, полученные методом СЭМ.
3. Эмиссионные характеристики наноматериала на основе МУНТ
После сравнения структурных свойств на-номатериалов были измерены полевые эмиссионные ВАХ исходного массива нанотрубок (рис. 2, а), массива нанотрубок после лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2 (рис. 2, б), массива нанотрубок после осаждение слоя наночастиц LaBg (рис. 2, в) и массива нанотрубок после осаждения слоя наночастиц LaBg и лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2 (рис. 2, г). Для исходного массива МУНТ было получено значение максимального
Химический состав наноматериала на основе вертикальных массивов МУНТ до и после нанесения слоя LaBe
Table 1. Chemical composition of a nanomaterial based on vertical arrays of MWCNTs before and after deposition
of the LaB6 layer
Элемент/Element Массовые проценты содержания веществ в массиве МУНТ/Mass percent of the content of substances in the MWCNT array
Исходный массив/Initial array Массив после нанесения LaBg/Array after deposition of LaBg
C 90.15 90.86
O 2.48 2.59
La - 1.80
Ni 0.73 0.70
Si 5.51 4.06
Рис. 3. Эмиссионные вольт-амперные характеристики: а - исходного массива МУНТ, б - массива МУНТ после лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2, в - массива МУНТ после нанесения слоя LaB6, г - массива МУНТ после нанесения LaB6 и лазерного воздействия с плотностью энергии 0.15 Дж/см2
Fig. 3. Emission current-voltage characteristics of the initial MWCNT array (a), the MWCNT array after laser exposure with an energy density of 0.15 J/cm2 (b), the MWCNT array after deposition of the LaB6 layer (c), the MWCNT array after deposition
of LaB6 and laser impact with an energy density 0.15 J/cm2 (d)
эмиссионного тока ^23 мкА. Это значение обусловлено неструктурированными концами на-нотрубок без ярко выраженных эмиссионных центров в массиве после синтеза (см. рис. 2, а, б). В результате лазерного воздействия на исходный массив нанотрубок был получен максимальный ток около 31 мкА (см. рис. 2, б). Выпрямление нанотрубок обеспечило более эффективную эмиссию электронов по сравнению с исходным массивом. Этот эффект связан с наличием большого количества эмиссионных центров в результате вертикального выпрямления концов нанотрубок (см. рис. 2, в, г). Функционализация массива нанотрубок наночастицами LaB6 позволила увеличить максимальный ток эмиссии до 25 мкА (см. рис. 2, в). Присутствие наночастиц LaB6 на поверхности нанотрубок обеспечило увеличение максимального эмиссионного тока на 2 мкА, что соответствует увеличению на 9% по сравнению с исходным массивом. Для обеспечения
связывания наночастиц LaB6 с нанотрубками производилось лазерное воздействие на массив нанотрубок, покрытых частицами LaB6. Помимо вертикального структурирования с образованием эмиссионных центров из пучков нанотрубок, наблюдался эффект интеркаляции структуры на-нотрубок частицами LaB6 (рис. 2, ж, з).
Как видно из полученных ВАХ, максимальный эмиссионный ток гибридного наноматери-ала составил до 55 мкА. Это соответствует увеличению тока на 24 мкА по сравнению со структурированным лазером массивом нано-трубок без наночастиц LaB6. Так, гибридные наноматериалы продемонстрировали снижение полной работы выхода на 78%.
Заключение
Таким образом, для наноматериала на основе вертикального массива МУНТ, структурированного лазерным воздействием, эксперимен-
тально доказан эффект снижения работы выхода при функционализации поверхности нанотрубок наночастицами LaB6. Исследование эмиссионных ВАХ показало, что максимальное значение тока эмиссии исходного массива МУНТ составляло ^23 мкА. После функционализации массива МУНТ наночастицами LaB6 было продемонстрировано снижение общей работы выхода гибридного наноматериала на 78%. Максимальный полевой эмиссионный ток гибридного наномате-риала с наночастицами LaB6 составил 55 мкА. Высокие значения эмиссионного тока гибридных наноструктур МУНТ + LaB6 делают их перспективными кандидатами на роль наноматериалов для автоэмиссионной электроники.
Список литературы/References
1. Xu J., Lin C., Shi Y., Li Y., Zhao X., Zhang X., Zhang J. Optimization of a Field Emission Electron Source Based on Nano-Vacuum Channel Structures. Micromachines, 2022, vol. 13, iss. 8, pp. 1274. https://doi.org/10.3390/ mi13081274
2. McCarthy P. T., Reifenberger R. G., Fisher T. S. Thermionic and photo-excited electron emission for energy-conversion processes. Front. Energy Res., 2014, vol. 2, pp. 54. https://doi.org/10.3389/fenrg.2014.00054
3. Nirantar S., Ahmed T., Bhaskaran M., Han J., Walia S., Sriram S. Electron Emission Devices for Energy-Efficient Systems. Adv. Intell. Syst., 2019, vol. 1, iss. 4, pp. 1900039. https://doi.org/10.1002/aisy.201900039
4. Lange S. L., Noori N. K., Kristensen T. M. B., Steen-berg K., Jepsen P. U. Ultrafast THz-driven electron emission from metal metasurfaces. J. Appl. Phys., 2020, vol. 128, iss. 7, pp. 070901. https://doi.org/10.1063/1. 5142590
5. Iwamatsu T., Tsutsui A., Yamaji H. Atmospheric operation of original electron emission device and generation of reactive species. Appl. Phys. Lett., 2019, vol. 114, iss. 5, pp. 053511. https://doi.org/10.1063/1.5077062
6. Yater J. E. Secondary electron emission and vacuum electronics. J. Appl. Phys., 2023, vol. 133, iss.5, pp. 050901. https://doi.org/10.1063/5.0130972
7. Filip V., Filip L. D., Wong H. Review on peculiar issues of field emission in vacuum nanoelectronic devices. Solid-State Electronics, 2017, vol. 138, pp. 3-15. https:// doi.org/10.1016/j.sse.2017.09.010
8. Trucchi D. M., Melosh N. A. Electron-emission materials: Advances, applications, and models. MRS Bull., 2017, vol. 42, iss. 7, pp. 488-492. https://doi.org/10. 1557/mrs.2017.142
9. Dwivedi N., Dhand C., Carey J. D., Anderson E. C., Kumar R., Srivastava A. K., Malik H. K., Sai-fullah M. S. M., Kumar S., Lakshminarayanan R., Ramakrishna S., Bhatia C. S., Danner A. The rise of carbon materials for field emission. J. Mater. Chem. C, 2021, vol. 9, iss. 8, pp. 2620-2659. https://doi.org/10. 1039/D0TC05873D
10. Giubileo F., Di Bartolomeo A., Iemmo L., Luongo G., Urban F. Field Emission from Carbon Nanostructures. Appl. Sci., 2018, vol. 8, iss. 4, pp. 526. https://doi.org/ 10.3390/app8040526
11. Gao Y., Okada S. Field induced electron emission from graphene nanostructures. Nano Ex., 2022, vol. 3, iss. 3, pp. 034001. https://doi.org/10.1088/2632-959X/ac8822
12. Ji Q., Wang B., Zheng Y., Zeng F., Lu B. Field emission performance of bulk graphene. Diamond and Related Materials, 2022, vol. 124, pp. 108940. https://doi.org/ 10.1016/j.diamond.2022.108940
13. Yu W., Hu H., Zhang D., Huang H., Guo T. Improved field emission properties of CuO nanowire arrays by coating of graphene oxide layers. J. Vac. Sci. Technol. B, 2015, vol. 34, iss. 2, pp. 02G102. https://doi.org/10.1116/ 1.4938485
14. Sun L., Zhou X., Lin Z., Guo T., Zhang Y., Zeng Y. Effects of ZnO Quantum Dots Decoration on the Field Emission Behavior of Graphene. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, iss. 46, pp. 31856-31862. https:// doi.org/10.1021/acsami.6b10454
15. Rout C. S., Joshi P. D., Kashid R. V., Joag D. S., More M. A., Simbeck A. J., Washington M., Nayak S. K., Late D. J. Enhanced field emission properties of doped graphene nanosheets with layered SnS2. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 105, iss. 4, pp. 043109. https://doi.org/ 2014ApPhL. 105d3109R
16. Liu J., Zeng B., Wu Z., Sun H. Enhanced Field Electron Emission of Graphene Sheets by Csl Coating after Elec-trophoretic Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces., 2012, vol. 4, iss. 3, pp. 1219-1224. https://doi.org/10. 1021/am201306c
17. Hong X. D., Liang D., Wu P. Z., Zheng H. R. Facile synthesis and enhanced field emission properties of Cu nanoparticles decorated graphene-based emitters. Diamond and Related Materials, 2016, vol. 69, pp. 61-67. https://doi.org/0.1016/j.diamond.2016.07.011
18. Baby T. T., Ramaprabhu S. Experimental study on the field emission properties of metal oxide nanoparticle-decorated graphene. J. Appl. Phys., 2012, vol. 111, iss. 3, pp. 034311. https://doi.org/10.1063/13681376
19. Parakhin G. A., Pobbubniy R. S., Nesterenko A. N., Sinitsin A. P. Low-current Cathode with a BaO Based Thermoemitter. Procedia Eng., 2017, vol. 185, iss. 80, pp. 80-84. https://doi.org/10.1016/jj.proeng.2017.03.295
20. Tang S., Tang J., Chiu T. W., Hayami W., Uzuhashi J., Ohkubo T., Uesugi F., Takeguchi M., Mitome M., Qin L. C. A HfC nanowire point electron source with oxycarbide surface of lower work function for high-brightness and stable field-emission. Nano Res., 2020, vol. 13, pp. 1620-1626. https://doi.org/10.1007/s12274-020-2782-0
21. Kaur G., Kumar R., Lahiri I. Field electron emission from protruded GO and rGO sheets on CuO and Cu nanorods. Phys. E : Low-Dimens. Syst. Nanostructures, 2019, vol. 112, pp. 10-18. https://doi.org/10.1016/ J.Physe.2019.03.017
22. Zhang H., Jimbo Y., Niwata A., Ikeda A., Yasuhara A., Ovidiu C., Kimoto K., Kasaya T., Miyazaki H. T.,
Tsujii N., Wang H., Yamauchi Y., Fujita D., Kita-mura S. I., Manabe H. High-endurance micro-engineered LaB6 nanowire electron source for high-resolution electron microscopy. Nat. Nanotechnol., 2022, vol. 17, iss. 1, pp. 21-26. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00999-w
23. Wang X., Lin Z., Qi K., Chen Z., Wang Z., Jiang Y. Field emission characteristics of lanthanum hexaboride coated silicon field emitters. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 16, pp. 4775-4778. https://doi.org/10.1088/ 0022-3727/40/16/006
24. Tang S., Tang J., Uzuhashi J., Ohkubo T., Hayami W., Yuan J., Takeguchi M., Mitome M., Qin L. C. A stable LaB6 nanoneedle field-emission point electron source. Nanoscale Adv., 2021, vol. 3, iss. 10, pp. 2787-2792. https://doi.org/10.1039/D1NA00167A
25. Tang S., Tang J., Okunishi E., Ninota Y., Yasuhara A., Uzuhashi J., Ohkubo T., Takeguchi M., Yuan J., Qin L. C. A stable LaB6 nanoneedle field-emission electron source for atomic resolution imaging with a transmission electron microscop. Mater. Today, 2022, vol. 57, pp. 35-42. https://doi.org/10.1016/jj.mattod.2022.06.003
26. Gushenets V., Bugaev A., Oks E. Boron vacuum-arc ion source with LaB6 cathode. Rev Sci Instrum., 2019, vol. 90, iss. 11, pp. 113309. https://doi.org/10.1063/1. 5127096
27. Wang X., Lv Y., Wang H., Qi K., Cao G. The effect of oxygen plasma treatment on the field emission properties of lanthanum hexaboride tip emitter. Mater. Res. Express, 2019, vol. 6, no. 4, pp. 045015. https://doi.org/ 10.1088/2053- 1591/aafb40
28. Yamaguchi H., Yusa R., Wang G., Pettes M. T., Liu F., Tsuda Y., Yoshigoe A., Abukawa T., Moody N. A., Ogawa S. Work function lowering of LaB6 by monolayer hexagonal boron nitride coating for improved photo- and thermionic-cathodes. Appl. Phys. Lett., 2023, vol. 122, iss. 14, pp. 141901. https://doi.org/10.1063/5.0142591
29. Wang X., Deng J., Lei L., Qi K., Cao G., Zha L. Enhanced field emission performance of lanthanum hex-aboride coated on graphene film. Mater. Res. Express, 2018, vol. 5, no. 12, pp. 126403. https://doi.org/10.1088/ 2053- 1591/aae0c6
30. Rezaeifar F., Lin Q., Chen X., Mattox T. M., Garg A., Clough A., Poudel N., Blankemeier L., Sarkar D., Cronin S. B., Kapadia R. Independent tuning of work function and field enhancement factor in hybrid lanthanum hexaboride-graphene-silicon field emitters. J. Vac. Sci. Technol. B, 2017, vol. 35, iss. 6, pp. 062202. https://doi.org/10.1116/1.5001324
31. Potrivitu G., Joussot R., Mazouffre S. Anode position influence on discharge modes of a LaB6 cathode in diode
configuration. Vacuum, 2018, vol. 151, pp. 122-132. https://doi.Org/10.1016/j.vacuum.2018.02.010
32. Morassutto M., Tiggelaar R. M., Smithers M. A., Garde-niers J. G. E. Vertically aligned carbon nanotube field emitter arrays with Ohmic base contact to silicon by Fe-catalyzed chemical vapor deposition. Mater. Today Commun., 2016, vol. 7, pp. 89-100. https://doi.org/10. 1016/j.mtcomm.2016.04.007
33. Lim Y. D., Kong Q., Wang S., Tan C. W., Tay B. K., Aditya S. Enhanced field emission properties of carbon nanotube films using densification technique. Appl. Surf. Sci., 2019, vol. 477, pp. 211-219. https://doi.org/10. 1016/j.apsusC.~2017.11.005
34. Sreekanth M., Srivastava P., Ghosh S. Highly enhanced field emission from copper oxide nanoparticle decorated vertically aligned carbon nanotubes: Role of interfacial electronic structure. Appl. Surf. Sci., 2020, vol. 508, pp. 145215. https://doi.org/10.1016Zj.apsusc. 2019.145215
35. Shin D. H., Yun K. N., Jeon S. G., Kim J. I., Saito Y., Milne W. I., Lee C. J. High performance field emission of carbon nanotube film emitters with a triangular shape. Carbon, 2015, vol. 89, pp. 404-410. https://doi.org/10. 1016/j.carbon.2015.03.041
36. Sreekanth M., Ghosh S., Biswas P., Kumar S., Srivas-tava P. Improved field emission from indium decorated multi-walled carbon nanotubes. Appl. Surf. Sci., 2016, vol. 383, pp. 84-89. https://doi.org/10.1016/jj.apsusc. 2016.04.170
37. Gerasimenko A. Y., Kuksin A. V., Shaman Y. P., Kitsyuk E. P., Fedorova Y. O., Murashko D. T., Shamanaev A. A., Eganova E. M., Sysa A. V., Savelyev M. S., Telyshev D. V., Pavlov A. A., Glukhova O. E. Hybrid Carbon Nanotubes-Graphene Nanostructures: Modeling, Formation, Characterization. Nanomaterials, 2022, vol. 12, iss. 16, pp. 2812. https:// doi.org/10.3390/nano12162812
38. Ulisse G., Brunetti F., Di Carlo A., Orlanducci S., Tam-burri E., Guglielmotti V., Marrani M., Terranova M. L. Carbon nanotubes field emission enhancement using a laser post treatment. J. Vac. Sci. Technol. B, 2015, vol. 33, iss. 2, pp. 022203. https://doi.org/10.1116/1. 4913285
39. Gerasimenko A. Yu., Kitsyuk E. P., Kuksin A. V., Ryazanov R. M., Savitskiy A. I., Savelyev M. S., Pavlov A. A. Influence of laser structuring and barium nitrate treatment on morphology and electrophysical characteristics of vertically aligned carbon nanotube arrays. Diamond and Related Materials, 2019, vol. 96, pp. 104-111. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.04. 035
Поступила в редакцию 28.06.2023; одобрена после рецензирования 16.07.2023; принята к публикации 25.08.2023 The article was submitted 28.06.2023; approved after reviewing 16.07.2023; accepted for publication 25.08.2023
