Для цитирования:
Куксин А. В., Герасименко А. Ю., Шаман Ю. П., Шаманаев А. А., Сыса А. 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. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-4-307-315, EDN: TZUMAT
Влияние функционализации на электрофизические свойства лазерно-структурированных гибридных углеродных наноматериалов
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 гексаборида лантана (LaB6) 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, функционализированных 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 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+LaB6 имеют большой потенциал для применения в качестве наноматериалов для автоэмиссионной электроники.
- 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
- 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
- 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
- Lange S. L., Noori N. K., Kristensen T. M. B., Steenberg 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Dwivedi N., Dhand C., Carey J. D., Anderson E. C., Kumar R., Srivastava A. K., Malik H. K., Saifullah 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Liu J., Zeng B., Wu Z., Sun H. Enhanced Field Electron Emission of Graphene Sheets by CsI Coating after Electrophoretic Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces., 2012, vol. 4, iss. 3, pp. 1219–1224. https://doi.org/10.1021/am201306c
- 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
- 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/10.1063/1.3681376
- 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/j.proeng.2017.03.295
- 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 highbrightness and stable field-emission. Nano Res., 2020, vol. 13, pp. 1620–1626. https://doi.org/10.1007/s12274-020-2782-0
- 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
- 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., Kitamura 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
- 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
- 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
- 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/j.mattod.2022.06.003
- 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
- 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
- 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
- Wang X., Deng J., Lei L., Qi K., Cao G., Zha L. Enhanced field emission performance of lanthanum hexaboride coated on graphene film. Mater. Res. Express, 2018, vol. 5, no. 12, pp. 126403. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aae0c6
- 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
- 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
- Morassutto M., Tiggelaar R. M., Smithers M. A., Gardeniers 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
- 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.apsusС.~2017.11.005
- 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/10.1016/j.apsusc.2019.145215
- 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
- Sreekanth M., Ghosh S., Biswas P., Kumar S., Srivastava 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/j.apsusc.2016.04.170
- 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
- Ulisse G., Brunetti F., Di Carlo A., Orlanducci S., Tamburri 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
- 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
- 632 просмотра