Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


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

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.12.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 77)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.9
EDN: 
TZUMAT

Влияние функционализации на электрофизические свойства лазерно-структурированных гибридных углеродных наноматериалов

Авторы: 
Куксин Артем Викторович, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Герасименко Александр Юрьевич, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Шаман Юрий Петрович, «Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Шаманаев Артемий Андреевич, «Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Сыса Артём Владимирович, «Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Глухова Ольга Евгеньевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
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 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.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-19-00226).
Список источников: 
  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., 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
  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., 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
  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 CsI Coating after Electrophoretic 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/10.1063/1.3681376
  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/j.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 highbrightness 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., 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
  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/j.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 hexaboride 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., 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
  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.apsusС.~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/10.1016/j.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., 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
  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., 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
  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
Принята к публикации: 
25.08.2023
Опубликована: 
25.12.2023