Field Emission Eigenschappen Voor field emission experimenten een hoge elektrische spanning (tot 250 V) werd aangebracht tussen de CNT en de teller elektrode. De TEM-SPM setup maakt nauwkeurige controle en meting van de positie van de CNT ten opzichte van de anode en andere voorwerpen in de buurt (fig. 2a). Het lokale veld werd geschat met behulp van  [21], waarbij  is de toegepaste potentieel,  is de interelectrode afstand,  is het veld verbetering factor. De geometrische veld versterkingsfactor γ voor nanotubes werd bepaald door hun lengte L en straal r als γ = (0.87L / r + 4.5) [32,33]. In ons geval, het gebied versterkingsfactor groter is dan 100 voor het grootste deel van nanobuisjes onderzocht, behalve voor CVD gegroeid buis als MWNTs waarvoor γ = 20 (Tabel 1). Figuur 2b en tabel 1 show vergelijking van 'field emission' stromen als functie van de lokale veld voor alle onderzochte vormen van koolstof nanobuisjes.  | Figuur 2 a) TEM beeld van een CVD gegroeid meerwandige koolstof nanobuis tijdens field emission metingen;. B) de huidige afhankelijkheid van de lokale veld voor verschillende soorten van de CNT. Doorgetrokken lijnen zijn fitting met Fowler-Nordheim theorie berekend met behulp van werkfunctie 8,1 eV voor bamboe, zoals nanobuisjes en voor anderen - 5,1 eV. |
Typisch, het veld emissie voor MWCNT geteeld op Co / Mo-katalysator sets in op lokaal gebied van 1,5 - 4,1 V / nm (tabel 1) en verzadigt op lokaal gebied van 3,0 - 4,6 V / nm, wat vergelijkbaar is met de literatuur gegevens voor multi-walled carbon nanotubes [21]. Onze gegevens voor hart-en vaatziekten gegroeid SWNTs niet gevuld en gevuld met C 60-moleculen blijkt dat 'field emission' begint bij bijna identiek zijn aan die spanningen waargenomen voor MWNTs. Commerciële CVD gegroeid nanobuisjes (van Aldrich) en MWCNTs gegroeid door de roman superkritische vloeistof (SCF) depositie methode bijna identiek 'field emission' kenmerken vertonen die gegroeid door de CVD methode op een Co / Mo-katalysator (fig. 2b). Field emission en geleidende eigenschappen van CNTs wordt beïnvloed door de mate van grafitisering [34]. Volgens onze bevindingen is de situatie ingewikkelder. Raman spectrum voor CVD gegroeid SWCNTs en SCF gegroeid nanobuisjes (figuur 3) toont het verschil in G-en D-band hoogte van ratio's. G-en D bands komen overeen met sp 2 (geleidende structuren) en de sp 3 (niet-geleidende structuren) binding in CNTs. Hoewel de G / D band ratio en de daaruit voortvloeiende hogere mate van grafitisering is waargenomen voor CNTs geteeld op Co / Mo-katalysator, doen we niet waarnemen opmerkelijke Diffrences in het veld emissie-eigenschappen van HVZ en SCF gegroeid nanobuisjes. G / D ratio voor bamboe achtige structuren is zelfs hoger dan die voor hart-en vaatziekten gegroeid SWCNTs, echter, 'field emission' voor bamboe gevormde MWCNTs geteeld op MgO ondersteund Pd / Mo-katalysator van de CVD-methode zet bij veel hogere lokale velden 7-8 V / nm (figuur 2b).  | Figuur 3. Raman spectra van de CVD-gegroeid enkele muur CNTs voorbereid door methaan ontleding bij 800C, en SCF-gegroeid meerwandige CNTs door CO wanverhouding op 750C. |
De afhankelijkheid van de huidige op de lokale veld verkregen voor alle onderzochte nanobuisjes goed gemonteerd op de Fowler-Nordheim model (zie Figuur 2b doorgetrokken lijnen), waarin staat dat de huidige (I) per zender varieert met de lokale veld aan het oppervlak van de zender van de omgeving ( A) [36,37]:  (1) waar Φ is het werk functie, V is de aangelegde spanning, en d is de interelectrode afstand. Voor alle nanobuisjes, behalve de BCNTs, 'field emission' kenmerken te passen aan de Fowler-Nordheim model wanneer een waarde voor het werk de functie van grafiet 5.1 eV [5] werd gebruikt. Het eigenaardige lokale veld die nodig is voor de emissie van BCNTs vereiste een werkfunctie waarde van 8,1 eV om gebruikt te worden. De knooppunten in deze BCNTs waarschijnlijk om de effectieve L / R-verhouding, waarin het veld enhancement factor bepaalt, waardoor de emissie-drempel velden grotere invloed. De gemiddelde field emission stromingen werden bepaald bij verzadiging (zie tabel 1) en varieerde van 10 tot 500 nA nA voor CVD gegroeid tube als MWCNTs, van 100 nA tot 1,5 uA voor BCNTs, en van 150 nA tot 2 uA voor SCF gegroeid MWCNTs. In de handel verkrijgbare (Aldrich) MWCNTs vertonen een hogere 'field emission' stromen - tot 10 m A. Eerder gerapporteerde waarden voor 'field emission' verzadiging stromen voor CVD gegroeid nanobuisjes gevarieerd in een zeer grote interval van 2 nA tot 9 uA [19]. Field emission verzadiging stromen voor CVD gegroeid SWCNTs varieerde van 100 nA tot 5 uA voor lege en tot 10 uA voor C 60 gevuld SWCNTs. Tijdens het gebied karakterisering van de emissie van de individuele nanotubes 'field emission' stromingen bij verzadiging waren fluctuerende op tijd voor ongeveer 50% van de gemiddelde waarden, vergelijkbaar met de eerder gerapporteerd [38]. Tabel 1. 'Field emission' eigenschappen van CNTs geteeld op verschillende omstandigheden. | Emissie start van lokale veld, V / nm | 1,5-4,1 | 3,0-4,9 | 3,5 tot 0,4 | 4,5-5,5 | 2.5-4.5 | 80-10 | Field emission stroom, m A | 0.01-0.5 | 0,1 tot 5,0 | 0,1 tot 10,0 | 5 tot 15 | 0,15 tot 2,0 | 0,1 tot 1,5 | Breaking stroom, A m | 0.1-1.0 | 0.15-10.0 | 2.5-10.0 | 10-0 25 | 0.45-3.5 | 0.45-2.0 | Breaking lokale veld, V / nm | 3,0 tot 6,0 | 4,0 tot 6,0 | 4,0 tot 9,0 | 6,0 tot 8,0 | 3,5 tot 8,0 | 9,0 tot 12,0 | Breaking plaats | in contact | in contact | geleidelijke vernietiging | geleidelijke vernietiging | in contact | in contact, geleidelijke vernietiging | Veldversterking factor | 20 ± 5 | 110 ± 30 | 90 ± 10 | 105 ± 15 | 135 ± 30 | 150 ± 30 |
Bij hoge lokale velden falen van de nanobuisjes werd waargenomen (figuur 4, tabel 1). Mislukking stromingen waren ongeveer twee keer hoger dan verzadiging stromingen. Mislukking lokale velden zijn weergegeven in tabel 1 en gevarieerde 3 tot 4,6 V / nm voor buis-achtige MWCNTs en tot 12 V / nm voor bamboe-achtige MWCNTs. Literatuur waarden van het breken van de lokale velden voor CVD gegroeid nanobuisjes uit verschillende groepen varieerde in het interval van 3 tot 10 V / nm [19,21]. Breaking lokale velden voor SWCNTs waren vergelijkbaar met MWCNTs (tot 6 V / nm), terwijl de C 60-gevulde SWNTs vertoonden een hogere stabiliteit met het breken van de lokale velden tot 9 V / nm. Een geleidelijke afbraak van de C 60 gevulde SWNTs en BCNTs stralers toegepast bij hoge voltages (200-250V) werden waargenomen zoals weergegeven in figuur 4 (zie ook tabel 1.) Terwijl alle andere nanobuisjes niet op de zwakke contact tussen de CNT en de gouden tip, in dit geval de CNT verwijdert volledig uit de gouden tip wanneer de emissie stroom is niet erg hoog.  | Figuur 4. Een geleidelijke vernietiging van een enkelwandige CNT gevuld met C 60-moleculen bundel bij constante spanning (200 V) toegepast. De tijd tussen beelden is 10 s. |
Elektrische Karakterisering Met behulp van een probe Twee Method Met het oog op de elektrische geleidbaarheid van de individuele CNTs te meten, werd de nanobuis in direct contact gebracht met een tegenelektrode zoals weergegeven in figuur 5a. I (V) kenmerken van alle soorten CNTs aan bod in dit document zijn weergegeven in figuur 5c. Tabel 2. Geleidende en breken kenmerken van CVD-gegroeid CNTs | Breaking spanning, V | 4,5 tot 6,0 | 5,0 tot 11,0 | 4,0 tot 4,5 | ≥ 25 | 0,7 tot 8,0 | 0,7 tot 5,0 | Breaking stroom, A m | 12 tot 19 | 7-80 | 10 tot 18 | ≥ 0,3 | 0.0003-+0,01 | 0,0005 tot 0,005 | Breaking plaats | de buurt van het contact | in het midden | in het midden | in het midden | in het midden | in de buurt van het midden, vlakbij het contact |
Daarom weerstanden voor alle nanobuisjes kunnen worden onderverdeeld in twee groepen. De weerstand van de eerste groep (buis-achtige MWCNTs en SWCNTs) van nanobuisjes varieerde in het interval van 250 kΩ - 1MΩ, die typisch is voor twee-probe karakterisering van HVZ gegroeid CNTs [19]. De weerstand in deze groep afneemt in de orde van CVD gegroeid buis als MWCNTs, leeg en gevuld met C 60 SWCNTs (figuur 5c). C 60 gevulde SWNTs tentoongesteld lagere weerstand in vergelijking met ongevuld SWNTs. Voor CVD gegroeid BCNTs, commerciële MWCNTs en SCF gegroeid MWNTs, gemeten de weerstand hoger was door de drie ordes van grootte in vergelijking met gegevens voor de eerste groep van nanobuisjes boven gemeld. Reden voor een dergelijke verschillen voor SCF en commerciële nanobuisjes kan een lagere graad van grafitisering in vergelijking met nanobuisjes geteeld op C0/Mo katalysator te zijn. Zoals weergegeven in Raman spectra (figuur 3), SCF nanobuisjes vertonen een lagere graad van grafitisering in vergelijking met nanobuisjes geteeld op Co / Mo-katalysator van de CVD-methode. Onze mening is dat de commerciële en SCF gegroeid nanobuisjes fragmentarische buitenste schelpen met een hoge dichtheid van gebreken te hebben. In het geval van een twee-punt karakterisering, de teller elektrode contacten direct naar defecte buitenste schelpen in plaats van stroomvoerende minder defecte innerlijke schelpen. Om elektron transport door innerlijke schelpen, is een hogere spanning nodig. Zoals eerder gemeld, buitenste lagen van koolstof nanobuisjes zijn dominant in elektron transport en bepalen dus de geleidbaarheid van de nanobuisjes [22]. Mogelijk binnenste lagen zijn deel te nemen aan 'field emission' dan ook significante verschillen in het veld emissie tussen HVZ en SCF gegroeid nanobuisjes werd niet waargenomen (Figuur 2b) in vergelijking met het verschil in weerstand (figuur 5c). Het is mogelijk dat de kruispunten aanwezig zijn in bamboe achtige structuren gelijkmatig afname van de geleidbaarheid in de buiten-en binnenwanden van de CNTs. Deze eigenschap kan verhogen de weerstand van de 'field emission' en geleidbaarheid. Nanobuis Kwaliteit Te bepalen wat de kwaliteit van de nanobuisjes, het niet stromen en spanningen werden bepaald (zie tabel 2). Nanobuis falen stromen werden tot 20 uA voor CVD-grown SWNTs en MWNTs en tot 80 uA voor C 60-gevulde SWNTs. Falen spanningen waren tot 5 V voor SWNTs en tot 10 V voor C 60-gevulde SWNTs (zie tabel 2). Bamboe soort CNTs zijn stabiel, zelfs bij 25 V, wat betekent dat deze nanobuisjes gebruikt kunnen worden in een hoog elektrisch veld toepassingen. Figuur 5b laat zien dat de nanobuis is verstoord in de buurt van het midden, die is waargenomen voor alle soorten van nanobuisjes. Dit resultaat suggereert dat de buizen resistively waren verwarmd en dat de temperatuur wordt lokaal hoog genoeg om het grafiet muur verdampen, dus de locatie van de schade door joule-opwarming wordt niet bepaald door de aanwezigheid van gebreken in de CNT. Bijgevolg is de locatie van de gebreken niet een effect hebben op het breekpunt van de CNT onder observatie. In andere werken [19,21] nanobuis mislukkingen werden gevonden in de buurt het midden en in het contact regio's.  | Figuur 5 a) MWCNT gegroeid door CVD-methode en b) nanobuis breken tijdens de twee-probe metingen;. C) vergelijking tussen I (V) curves van de verschillende soorten CNTs: 1 - singlewall CNTs gevuld met C 60-moleculen, 2 - lege singlewall CNTs, 3 - meerwandige CNTs geteeld op Co / Mo-katalysator, 4 - Aldrich commercieel beschikbaar multiwall CNTs, 5 - meerwandige CNTs gekweekt op Pd / Mo-katalysator, 6 - meerwandige CNTs gegroeid met superkritische vloeistof methode. |
|
1. Tans SJ, Verschueren ARM, Dekker C., "Ruimtetemperatuur transistor op basis van een enkele koolstof nanobuis", Nature, 393, 49-52, 1998. 2. Postma HW Ch., Teepen T., Yao Z., Grifoni M., Dekker C., "Carbon Nanotube Single-Electron Transistors bij kamertemperatuur ', Science, 293, 76-79, 2001. 3. Auvray S., V. Derycke, Goffman M., Filoramo A., Jost O., en Bourgoin J.-P., "Chemische Optimalisatie van zelf-geassembleerde Carbon nanobuis transistors", Nano Lett., 5 (3), 451 -455, 2005. 4. Xiao K., Liu Y., Hu P., Yu G., Fu L., en Zhu D., "High performance field-effect transistors gemaakt van een meerwandige CNX / C nanobuis intramoleculaire kruispunt", Appl. Phys. Lett., 83 (23), 4824 tot 4826, 2003. 5. Weitz RT, Zschieschang U., Effenberger F., Klauk H., Burghard M., Kern K., "High-Performance Carbon Nanotube Field Effect Transistors met een Thin Gate diëlektrische Op basis van een Self-geassembleerde monolaag ', Nano Lett., 7, 22-27, 2007. 6. Bathold A., Hadley P., Nakanishi T., Dekker C., "Logic Circuits met Carbon nanobuis transistors", Science, 294, 1317-1320, 2001. 7. Rueckes T., Kim K., Joslevich E., Tseng GY, Cheung C., en Lieber CM, "koolstof nanobuis op basis Nonvolatile Random Access Memory voor Moleculaire Computing", Science, 289, 94, 2000. 8. Lee SW, Lee DS, Morjan RE, Jhang SH, Sveningsson M., Nerushev OA, Park YW, en Campbell EEB, "A Drie Terminal Carbon Nanorelay", Nano Lett. 4, 2027, 2004. 9. Ke C., Espinosa HD, "In Situ Electron Microscopy Elektromechanische Karakterisering van een Bistabiele NEMS Device", Small, 2 (12), 1484 - 1489, 2006. 10. Park M., Cola B., Siegmund T., Xu J., Maschmann MR, Fisher TS, en Kim H., "Gevolgen van een koolstof nanobuisje laag op de Elektrische Contact weerstand tussen koper substraten", Nanotechnologie, 17, 2294-2303 , 2006. 11. Brian H., Halsall HB, Dong Z., Jazieh A., Tu Y., Wong D., Pixley S., Behbehani Ml, en Schulz MJ, "een koolstof nanobuis Naald Biosensor", J. Nanosc. Nanotechn., 7, 2293-2300, 2007. 12. Rinzler AG, Hafner JH, Nikolaev P., Lou L., Kim SG, Tomanek D., Nordlander P., Colbert DT, Smalley RE, "ontrafelen Nanobuisjes -. Field Emission van een Atomic Wire ', Science, 269 (5230) , 1550-1553, 1995. 13. Deheer WA, Chatelain A., Ugarte D., "een koolstof nanobuis Field Emission Electron Bron", Science, 270 (5239), 1179-1180, 1995. 14. Wong YM, Kang, WP, Davidson JL, Wisitsora-at A., Soh KL, Fisher TS, Li Q., Xu JF, "Veld Emitter Met behulp van meerwandige koolstof nanobuisjes geteeld op de Silicon Tip Gewest door Microwave Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition ", J. Vac. Sci. Technol. B, 21 (1), 391-394, 2003. 15. Bonard JM, Weiss N. Kind H., Stockli T., Forro L., Kern K, Chatelain A., "Stemmen van de Field Emission eigenschappen van Patterned Carbon Nantoube Films", Adv. Mater., 13 (3), 184-188., 2001. 16. Wang QH, Corrigan TD, Dai JY, Chang RPH, Krauss AR, "Field Emission van Nanotube Bundel Emitters bij lage Fields", Appl. Phys. Lett., 70 (24), 3.308 tot 3.310, 1.997. 17. Pan ZW Au FCK, Lai HL, Zhou, WY, zon LF, Liu, ZQ, Tang DS, Lee CS, Lee ST, Xie, SS, "amorfe koolstof Nanodraden onderzocht door de buurt-Edge-x-Ray-Absorptie-Fine- structuren ", J. Phys. Chem. B, 105 (8), 1519-1522, 2001. 18. Iijima S., "Helical Microtubuli van grafitische Carbon", Nature, 354 (6348), 56-58, 1991. 19. "Koolstof nanobuisjes". Dresselhaus MS, Dresselhaus G., Avouris Ph Eds. Onderwerpen in Applied Physics, Springer Verlag, Berlin , 80, 1 tot 430, 2001 20. Li Z., Andzane J., Erts D., Tobin JM, Wang K., Morris MA, Attard G., en Holmes JD "Een nieuwe Supercritical Fluid methode voor het kweken koolstof nanobuisjes", Adv. Mater., In press. 21. Bonard JM, Klinke C., Dean KA, en Coll BF, "Degradatie en falen van koolstof nanobuisje Field Emitters", Phys. Rev B, 67, 115406-1, 2003. 22. Collins PG, Arnold MS, Avouris P., "Engineering koolstof nanobuisjes en Nanotube Circuits met behulp van elektrische Breakdown", Science, 292 (5517), 706-709, 2001. 23. Wey W., Liu Y., Jiang K., Peng LM, en Fan S., "Tip koelend effect en het faalmechanisme van Field-Emitting koolstof nanobuisjes", Nano Lett., 7 (1), 64-68, 2007. 24. Ding F., K. Jiao, Lin Y., Yakobson B., "Hoe Verdampbare koolstof nanobuisjes behouden hun Perfection?", Nano Lett., 7 (3), 681-684, 2007. 25. Ohnishi H., Kondo Y., Takayanagi K. 'Quantized geleiding door middel van individuele rijen van zwevende goud atomen ", Nature 395, 780-783, 1998. 26. Kizuka T . "Atomic proces van punt contact in goud bestudeerd door tijdopgeloste hoge-resolutie transmissie elektronen microscopie" Phys. Rev. Lett. 81 (20), 4448 tot 4451, 1998. 27. Poncharal P., Wang ZL, Ugarte D., de Heer WA "Elektrostatische Doorbuiging en Elektromechanische resonanties van koolstof nanobuisjes", Science 283, 1513-1516, 1999. 28. Cumings J. en Zettl A. "Low-Friction Nanoscale Lineair Bearing gerealiseerd uit Meerwandige koolstof nanobuisjes" Science 289, 602-604, 2000. 29. Erts D., Olin H., Ryen L., Olsson E., en Tholen A. "Maxwell en Sharvin Conductance in Gold Point Contacten onderzocht met behulp van TEM-STM", Phys. Rev B 61, 12725 tot 12.728, 2000. 30. Erts D., Lõhmus A., Lõhmus R., en Olin H., "Instrumentatie van STM en AFM In combinatie met de Transmission Electron Microscope ', Appl. Phys., A 72 (7), S71-S74, 2001. 31. Li QW, Yan H., Cheng Y., Zhang J., Liu ZF, "Een schaalbare CVD Synthese van High-Purity enkelwandige koolstof nanobuisjes met Poreuze MgO als ondersteunend materiaal ', J. Mater. Chem, 12 (4):. 1179-1183, 2002. 32. Cumings J., Zettl A., McCartney MR, en Spence JCH, 'elektronen holografie van Field-Emitting koolstof nanobuisjes ", Phys. Rev. Lett. 88, 056804, 2002. 33. Maiti A., Brabec CJ, Roland CM, en Bernholc J., "Groei Energetica van koolstof nanobuisjes", Phys. Rev. Lett. 73, 2468, 1994. 34. Ting JH, Chang CC, Chen SL, Lu DS, Kung CY, en Huang FY "Optimalisatie van Field Emission eigenschappen van koolstof nanobuisjes door Taguchi-methode", Thin Sol. Films, 496, 299-305, 2006. 36. Gadzuk JW en Plummer EW, 'Field Emission Energy Distribution (FEED) ", Rev Mod. Phys. 45, 487-548, 1973. 37. Brodie I. , En Spindt C., "Vacuum Microelectronics", Adv. Elektron. Elektron. Phys. 83, 1, 1992. 38. Tuggle DW, Jiao J., en Dong LF "Field emissie fluctuaties in de stroom van geïsoleerde koolstof nanobuisjes" Surf. Interface Anal. 36, 489-492, 2004 |