Новости физики

Новости науки 04.06.02. Катоды из углеродных нанотрубок - российские разработчики не остались в стороне

Благодаря хорошим эмиссионным характеристикам, высокой химической стабильности и механической прочности углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для создания катодов для различных устройств (например, для плоских эмиссионных дисплеев ). Отрадно отметить, что и российские ученые участвуют в развитии этого перспективного прикладного направления.

Рис. 1. Принципиальная схема люминесцентной вакуумной лампы диодного типа с нанотрубочным катодом.

Мы часто пишем о разннобразных возможных практических применениях углеродных нанотрубок - на их основе могут быть изготовлены нанотранзисторы, объекты вакуумной электроники (эффективные электронные катоды), острия для зондовых микроскопов, упрочняющие добавки в композиты, смазки, накопители водорода, целый спектр новых лекарственных препаратов... (всего не перечислишь). Одним из этих перспективных направлений, привлекающих внимание крупнейших корпораций во всем мире, является использование уникальных эмиссионных свойств углеродных нанотрубок для создания широкого спектра устройств (см., например, новости от 04.04.01 и 26.04.01 ). И в России, в Центре естественнонаучных исследований Института Общей Физики РАН (ЦЕНИ ИОФАН), работают над этой задачей, и работают небезуспешно.

Успеху работ способствовала введенная в эксплуатацию в 1998 г. одна из первых в России установок по синтезу одностенных углеродных нанотрубок дуговым методом. В настоящее время производительность установки достигает 100 г нанотрубочной сажи в месяц. Достаточное количество материала позволило всесторонне его изучить методами электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской дифрактометрии и комбинационного рассеяния света. В этих экспериментах была продемонстрирована высокая эффективность низкополевой электронной эмиссии из исходного материала. Во избежание деградации характеристик и структуры материала со временем, потребовалось работа над устранением примесей - аморфного углерода и частиц катализатора. Для обогащения сажи нанотрубками использовались различные методы очистки, включая многоступенчатую химическую очистку и хроматографию.

Рис. 2. Фотография действующей модели люминесцентной вакуумной лампы диодного типа с нанотрубочным катодом. Площадь светящейся поверхности 2 х 2 см².

На следующем этапе удалось достичь воспроизводимой технологии формирования однородных стабильных нанотрубчатых пленок на разнообразных подложках, включая наиболее технологичную для вакуумной электроники - металлизированное стекло. Для этой цели был существенно модифицирован метод жидкостного электрофореза. В результате полученные пленки однородны по поверхности и имеют стабильную низкопороговую эмиссию электронов (поля включения менее 1 В/мкм) с токами до 5 мА/см² при напряженности поля порядка 10 В/мкм.

Качество проведенных исследований и технологических разработок позволило приступить к третьему этапу √ созданию действующих устройств. На сегодня это √ катоды для вакуумных ламп диодного типа (рис.1 и 2) и цифровых индикаторов (рис.3). Конструкция вакуумных ламп диодного типа с катодом на основе одностенных нанотрубочных катодов была разработана сотрудниками ЦЕНИ ИОФ РАН совместно с учеными физического факультета МГУ. Лампы работали без деградации в течение года. Разработка цифровых индикаторов стала качественно новым этапом в продвижении к реальной технологии. Она выполнена сотрудниками ЦЕНИ ИОФ РАН в творческом союзе с коллективом научно- исследовательского института"Волга" (г.Саратов), который является одним из ведущих российских разработчиков и производителей дисплеев.

В перспективе (принципиальные подходы уже разработаны, дело за дополнительным финансированием) - создание плоских мониторов с низким напряжением и, соответственно, малой потребляемой мощностью. Хочется надеяться, что первый отечественный плоский дисплей нового типа тоже будет изготовлен и в ближайшее время.

Рис. 3. Фотография действующей модели цифрового индикатора диодного типа с катодом из одностенных углеродных нанотрубок. Зазор между катодом и анодом - 200 мкм. Рабочее напряжение 100 - 500 В. Яркость свечения достигает 15000 кандел/м².