Felt Emission Properties For felt utslipp eksperimenter et høyt elektrisk potensial (opp til 250 V) ble brukt mellom CNT og telleren elektroden. Den TEM-SPM oppsett gir nøyaktig kontroll og måling av posisjonen til CNT forhold til anoden og andre omkringliggende objekter (fig 2a). Den lokale feltet var beregnet ved hjelp [21], hvor er anvendt potensial, er interelectrode avstand, er feltet forbedring faktoren. Den geometriske feltet ekstrautstyr faktor γ for nanorør var bestemt av deres lengde L og radius r som γ = (0.87L / r + 4,5) [32,33]. I vårt tilfelle, overstiger feltet ekstrautstyr faktor 100 for de fleste av nanorør undersøkt med unntak for CVD vokst tube som MWNTs der γ = 20 (Tabell 1). Figur 2b og tabell 1 viser sammenligning av feltet utslipp strømmer som en funksjon av lokale feltet for alle undersøkte typer av karbon nanorør. | Figur 2 a) TEM bilde av en CVD vokst multiwall karbon nanorør i feltet utslippsmålinger;. B) nåværende avhengighet av lokale feltet for ulike typer CNT. Solid linjer er passende med Fowler-Nordheim teori beregnet arbeid funksjon 8,1 eV for bambus som nanorør og for andre - 5,1 eV. |
Vanligvis setter feltet utslipp for MWCNT dyrket på Co / Mo katalysator i lokalt innen 1.5 til 4.1 V / nm (tabell 1) og metter på lokalt felt av 3,0 til 4,6 V / nm, noe som er sammenlignbart med faglitteratur for multi-vegger karbon nanorør [21]. Våre data for CVD vokst SWNTs ikke fylt og fylt med C 60 molekyler viser at feltet utslipp starter på nesten identisk spenninger til de som ble observert for MWNTs. Kommersiell CVD vokst nanorør (fra Aldrich) og MWCNTs vokst med romanen superkritisk fluid (SCF) deponering metoden viser nesten identisk feltet utslipp egenskaper til de vokst av CVD-metoden på en Co / Mo katalysator (fig. 2b). Felt utslipp og ledende egenskaper CNTs påvirkes av graden av grafittisering [34]. Ifølge våre funn, er situasjonen mer komplisert. Raman spektrum for CVD vokst SWCNTs og SCF vokst nanorør (figur 3) viser forskjell i G-og D-bandet høyde forholdstall. G og D band tilsvarer sp 2 (ledende strukturer) og SP 3 (nonconductive strukturer) bonding i CNTs. Selv om G / D bandet ratio og påfølgende høyere grad av grafittisering er observert for CNTs dyrket på Co / Mo katalysator, kan vi ikke observere bemerkelsesverdig diffrences i feltet utslipp egenskaper CVD og SCF vokst nanorør. G / D ratio for bambus lignende strukturer er enda høyere enn for CVD vokst SWCNTs imidlertid felt utslipp for bambus formet MWCNTs dyrket på MgO støttes Pd / Mo katalysator av CVD-metoden setter opp ved mye høyere lokale felt 7-8 V / nm (figur 2b). | Figur 3. Raman spektra av CVD-vokst enkel vegg CNTs utarbeidet av metan dekomponering ved 800C og SCF-vokst multiwall CNTs av CO misforhold ved 750C. |
Avhengigheten av strøm på lokale feltet innhentet for alle undersøkte nanorør montert godt til Fowler-Nordheim-modellen (se figur 2b heltrukne linjer), som sier at dagens (I) per emitter varierer med det lokale feltet på emitter areal ( A) [36,37]: (1) hvor Φ er arbeidet funksjon, V er spenningen, og d er interelectrode avstand. For alle nanorør, unntatt BCNTs, feltet utslipp egenskaper passer til Fowler-Nordheim-modellen når en verdi for arbeidet funksjon av grafitt 5.1 eV [5] ble brukt. Den særegne lokale feltet som trengs for utslipp fra BCNTs krevde arbeid funksjon verdi på 8,1 eV som skal brukes. Veikryssene i disse BCNTs er egnet til å påvirke den effektive L / r-forhold, som avgjør feltet ekstrautstyr faktor, noe som gjør emisjonsgrensen feltene større. Den gjennomsnittlige feltet utslipp strømninger ble bestemt ved metning (se tabell 1) og varierte fra 10 nA til 500 nA for CVD vokst tube som MWCNTs, fra 100 nA til 1,5 μA for BCNTs, og fra 150 nA til 2 μA for SCF vokst MWCNTs. Kommersielt tilgjengelig (Aldrich) MWCNTs stiller høyere felt utslipp strøm - opp til 10 m A. Tidligere rapporterte verdier for feltet utslipp saturation strøm for CVD vokst nanorør varierte i et veldig stort intervall fra 2 nA til 9 μA [19]. Felt utslipp saturation strøm for CVD vokst SWCNTs varierte fra 100 nA til 5 μA for tomme og opp til 10 μA for C 60 fylt SWCNTs. Under feltet utslipp karakterisering av individuelle nanorør felt utslipp strøm ved metning var varierende i tid for ca 50% av gjennomsnittlig verdier, tilsvarende de som rapportert tidligere [38]. Tabell 1. Felt utslipp egenskaper CNTs dyrket ved ulike tilstander. | Emission starte opp lokale feltet, V / nm | 01.05 til 04.01 | 3,0 til 4,9 | 3,5 til 0,4 | 04.05 til 05.05 | 02.05 til 04.05 | 80-10 | Felt utslipp strøm, m A | 0,01 til 0,5 | 0,1 til 5,0 | 0,1 til 10,0 | 5-15 | 0,15 til 2,0 | 0,1 til 1,5 | Breaking strøm, A m | 0,1 til 1,0 | 0,15 til 10,0 | 2,5 til 10,0 | 10-0 25 | 0,45 til 3,5 | 0,45 til 2,0 | Breaking lokale feltet, V / nm | 3,0 til 6,0 | 4,0 til 6,0 | 4,0 til 9,0 | 6,0 til 8,0 | 3,5 til 8,0 | 9,0 til 12,0 | Breaking sted | i kontakt | i kontakt | gradvis ødeleggelse | gradvis ødeleggelse | i kontakt | i kontakt, gradvis ødeleggelse | Felt enhancement faktor | 20 ± 5 | 110 ± 30 | 90 ± 10 | 105 ± 15 | 135 ± 30 | 150 ± 30 |
Ved høye lokale felt svikt av nanorør ble observert (fig 4, tabell 1). Unnlatelse strømninger var ca 2 ganger høyere enn metning strøm. Unnlatelse lokale felt er presentert i tabell 1 og varierte 3 til 4,6 V / nm for rør-liknende MWCNTs og opptil 12 V / nm for bambus-aktig MWCNTs. Litteratur verdier bryte lokale felt for CVD vokst nanorør fra ulike gruppene varierte i intervallet 3 til 10 V / nm [19,21]. Breaking lokale felt for SWCNTs var sammenlignbar med MWCNTs (opp til 6 V / nm), mens C 60-fylt SWNTs utstilt en høyere stabilitet med å bryte lokale felt opptil 9 V / nm. En gradvis nedbrytning av C 60-fylt SWNTS og BCNTs emittere ved høye søkt spenninger (200-250V) ble observert som vist i figur 4 (se også tabell 1). Mens alle andre nanorør feilet på svak kontakt mellom CNT og gullet spissen, i dette tilfellet CNT fjerner fullstendig fra gullet spissen når utslippet nåværende er ikke veldig høy. | Figur 4. En gradvis ødeleggelse av et single-vegger CNT fylt med C 60 molekyler bunt ved konstant spenning (200 V) anvendt. Tiden mellom bildene er 10 s. |
Elektrisk Karakterisering Bruke en Two Probe Method For å måle den elektriske ledningsevnen i individuelle CNTs ble nanorør brakt i direkte kontakt med en teller elektrode som vist i figur 5a. I (V) karakteristikker av alle typer CNTs behandlet i dette notatet er vist i figur 5c. Tabell 2. Ledende og bryte kjennetegn ved CVD-vokst CNTs | Breaking spenning, V | 4,5 til 6,0 | 5,0 til 11,0 | 4,0 til 4,5 | ≥ 25 | 0,7 til 8,0 | 0,7 til 5,0 | Breaking strøm, A m | 12-19 | 7-80 | 10-18 | ≥ 0,3 | 0,0003 til 0,01 | 0,0005 til 0,005 | Breaking sted | nær kontakt | nær midten | nær midten | nær midten | nær midten | nær midten, nær kontakt |
Følgelig motstand for alle nanorør kan deles inn i to grupper. Motstanden i den første gruppen (tube-lignende MWCNTs og SWCNTs) av nanorør varierte i intervallet 250 kÊ - 1MΩ, noe som er typisk for to-probe karakterisering av CVD vokst CNTs [19]. Motstanden i denne gruppen reduksjon i størrelsesorden CVD vokst tube som MWCNTs, tomme og fylt med C 60 SWCNTs (figur 5c). C 60-fylt SWNTS utstilt lavere motstand i forhold til unfilled SWNTS. For CVD vokst BCNTs, kommersielle MWCNTs og SCF vokst MWNTs, var motstanden målt høyere ved tre størrelsesordener i forhold til data for første gruppen av nanorør rapportert ovenfor. Bakgrunnen for en slik forskjell for SCF og kommersielle nanorør kan være en lavere grad av grafittisering i forhold til nanorør dyrket på C0/Mo katalysator. Som vist i Raman spektre (figur 3), SCF nanorør viser lavere grad av grafittisering i forhold til nanorør dyrket på Co / Mo katalysator av CVD-metoden. Vår oppfatning er at det kommersielle og SCF vokst nanorør har fragmentarisk ytre skall med en høy tetthet av defekter. I tilfelle av en to-punkts karakterisering, telleren elektroden kontakter direkte til defekte ytre skall i stedet for strømførende mindre defekte indre skall. Å gi elektron transport gjennom indre skall, er en høyere spenning nødvendig. Som rapportert tidligere, ytre lag av karbon nanorør er dominerende i elektron transport og dermed bestemme ledningsevnen i nanorør [22]. Muligens indre lag deltar i feltet utslipp derfor betydelige forskjeller i feltet utslipp mellom CVD og SCF vokst nanorør ble ikke observert (Figur 2b) i forhold til forskjellen i motstand (figur 5c). Det er mulig at knutepunktene stede i bambus lignende strukturer jevnt redusere ledningsevnen i ytre og indre vegger av CNTs. Denne egenskapen kan øke motstanden i feltet utslipp og ledningsevne. Nanorør Quality Å karakterisere kvaliteten på nanorør, svikt strømmer og spenninger ble bestemt (se tabell 2). Nanorør svikt strømninger var opp til 20 μA for CVD-vokst SWNTs og MWNTs og opp til 80 μA for C 60-fylt SWNTs. Unnlatelse spenninger var opp til 5 V for SWNTs og opp til 10 V for C 60-fylt SWNTs (se tabell 2). Bamboo typen CNTs er stabile selv ved 25 V som betyr at nanorør kan brukes i høye elektriske felt applikasjoner. Figur 5b viser at nanorør blir forstyrret i nærheten dens midten, som er observert for alle typer av nanorør. Dette resultatet tyder på at rørene var motstandsevne oppvarmet og at temperaturen blir lokalt høy nok til å forgasse grafitt veggen, derfor er plasseringen av skade ved Joule oppvarming bestemmes ikke av tilstedeværelsen av defekter i CNT. Derfor gjør plasseringen av defekter ikke ha en effekt på bristepunktet av CNT under observasjon. I andre verker [19,21] nanorør feil ble funnet nær midten og i kontakten regionene. | Figur 5 a) MWCNT vokst med CVD-metoden og b) nanorør bryte i løpet av to-probe målinger;. C) sammenligning mellom I (V) kurver av ulike typer CNTs: 1 - singlewall CNTs fylt med C 60 molekyler, 2 - tom singlewall CNTs, 3 - multiwall CNTs dyrket på Co / Mo katalysator, 4 - Aldrich kommersielt tilgjengelig multiwall CNTs, 5 - multiwall CNTs dyrket på Pd / Mo katalysator, 6 - multiwall CNTs vokst med superkritisk væske metoden. |
|
1. Tans SJ, Verschueren ARM, Dekker C., "Room temperatur transistor basert på en enkelt karbon nanorør", Nature, 393, 49-52, 1998. 2. Postma HW Ch., Teepen T., Yao Z., Grifoni M., Dekker C., "Carbon Nanotube enkelt-elektron transistorer på Room Temperature", Science, 293, 76-79, 2001. 3. Auvray S., Derycke V., Goffman M., Filoramo A., Jost O., og Bourgoin J.-P., "Chemical Optimization of Self-Montert Carbon Nanotube transistorer", Nano Lett., 5 (3), 451 -455 2005. 4. Xiao K., Liu Y., Hu P., Yu G., Fu L., og Zhu D., "Høy ytelse felt-effekt transistorer laget av et multiwall CNX / C nanorør intramolekylære junction", Appl. Phys. Lett., 83 (23), 4824-4826, 2003. 5. Weitz RT, Zschieschang U., Effenberger F., Klauk H., Burghard M., Kern K., "High-Performance Carbon Nanotube felteffekttransistorene med en Thin Gate Dielektrisk Basert på en selv-montert Monolayer ', Nano Lett., 7, 22-27, 2007. Seks. Bathold A., Hadley P., Nakanishi T., Dekker C., "logiske kretser med Carbon Nanotube transistorer", Science, 294, 1317-1320, 2001. 7. Rueckes T., Kim K., Joslevich E., Tseng GY, Cheung C., og Lieber CM, "karbon nanorør-basert flyktig Random Access Memory for molekylær Computing", Science, 289, 94, 2000. 8. Lee SW, Lee DS, Morjan RE, Jhang SH, Sveningsson M., Nerushev OA, Park YW, og Campbell EEB, "A Tre Terminal Carbon Nanorelay", Nano Lett. 4, 2027, 2004. 9. Ke C., Espinosa HD, "In Situ Elektronmikroskopi Elektromekanisk Karakterisering av et bistabilt NEMS Device", Small, 2 (12), 1484 - 1489, 2006. 10. Park M., Cola B., Siegmund T., Xu J., Maschmann MR, Fisher TS, og Kim H., "Effekter av et karbon nanorør lag på elektrisk kontakt motstanden mellom Copper Underlag", nanoteknologi, 17, 2294-2303 , 2006. 11. Brian H., Halsall HB, Dong Z., Jazieh A., Tu Y., Wong D., Pixley S., Behbehani Ml og Schulz MJ, "et karbon nanorør Needle 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, "Unraveling Nanorør -. Felt Utslipp fra en Atomic Wire", Science, 269 (5230) , 1550-1553, 1995. 13. Deheer WA, Chatelain A., Ugarte D., "et karbon nanorør Felt Emission Electron Source", Science, 270 (5239), 1179-1180, 1995. 14. Wong YM, Kang, WP, Davidson JL, Wisitsora-at A., Soh KL, Fisher TS, Li Q., Xu JF, "Field Emitter Bruk multiwalled Carbon Nanorør Grown på Silicon Tips Region ved Mikrobølgeovn Plasma-Enhanced Chemical Vapor Nedfall "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., "Tuning Field Emission Properties of Mønstret Carbon Nantoube Films", Adv.. Mater., 13 (3), 184-188. 2001. 16. Wang QH, Corrigan TD, Dai JY, Chang RPH, Krauss AR, "Field Emission fra Nanotube Bundle Emitters til Lave Fields", Appl. Phys. Lett., 70 (24), 3308-3310, 1997. 17. Pan ZW Au FCK, Lai HL, Zhou, WY, Sun LF, Liu, ZQ, Tang DS, Lee CS, Lee ST, Xie, SS, "Amorphous Carbon Nanotråder etterforsket av Near-Edge-x-Ray-Absorpsjon-Fine- strukturer ", Phys J.. Chem. B, 105 (8), 1519-1522, 2001. 18 år. Iijima S., "Helical mikrotubuli of grafittisk Carbon", Nature, 354 (6348), 56-58, 1991. 19 ". Carbon Nanorør". Dresselhaus MS, Dresselhaus G., Avouris Ph red. Topics in Applied Physics, Springer Verlag, Berlin , 80, 1-430, 2001 20. Li Z., Andzane J., Erts D., Tobin JM, Wang K., Morris MA, Attard G., og Holmes JD "A New superkritisk fluid Metode for Growing Carbon Nanorør", Adv.. Mater., I trykk. 21. Bonard JM, Klinke C., Dean KA, og Coll BF "Nedbrytning og Failure of Carbon Nanotube feltet emittere", Phys. Rev B, 67, 115406-1 2003. 22. Collins PG, Arnold MS, Avouris P., "Engineering karbon nanorør og Nanotube kretsene ved hjelp av Electrical Breakdown", Science, 292 (5517), 706-709, 2001. 23. Wey W., Liu Y., Jiang K., Peng LM, og Fan S., "Tip kjølende effekt og Failure Mechanism of Field-Emitting Carbon Nanorør", Nano Lett., 7 (1), 64-68, 2007. 24. Ding F., Jiao K., Lin Y., Yakobson B., "Hvordan fordampende Carbon Nanorør beholde sin Perfection?", Nano Lett., 7 (3), 681-684, 2007. 25. Ohnishi H., Kondo Y., Takayanagi K. "kvantisert konduktans gjennom individuelle rader av suspendert gull atomer", 395 Natur, 780-783, 1998. 26. Kizuka T . "Atomic prosessen punkts kontakt i gull studert av tid-løst høy oppløsning transmisjonselektronmikroskopi" Phys. Rev Lett. 81 (20), 4448-4451, 1998. 27. Poncharal P., Wang ZL, Ugarte D., de Heer WA "Elektrostatisk nedbøyninger og Elektromekanisk resonans av karbon nanorør", 283 Vitenskap, 1513-1516, 1999. 28. Cumings J. og Zettl A. "lav friksjon nanoskala Lineær Peiling Realiserte fra multiwall Carbon Nanorør" 289 Vitenskap, 602-604, 2000. 29. Erts D., Olin H., Ryen L., Olsson E., og Tholen A. "Maxwell og Sharvin konduktans i Gold Point Kontakter Lupen Bruk TEM-STM", Phys. Rev 61 B, 12725-12728, 2000. 30. Erts D., Löhmus A., Löhmus R., og Olin H., "Instrumentering av STM og AFM Kombinert med Transmission Electron Microscope", Appl. Phys., En 72 (7), S71-S74, 2001. 31. Li QW, Yan H., Cheng Y., Zhang J., Liu ZF, "En skalerbar CVD syntese av High-Purity Single-vegger karbon nanorør med porøse MgO som Support Material", J. Mater. Chem, 12 (4). 1179-1183, 2002. 32. Cumings J., Zettl A., McCartney MR, og Spence JCH, "Electron Holography of Field-Emitting Carbon Nanorør", Phys. Rev Lett. 88, 056 804 2002. 33. Maiti A., Brabec CJ, Roland CM, og Bernholc J., "Vekst Energetics av karbon nanorør", Phys. Rev Lett. 73, 2468, 1994. 34. Ting JH, Chang CC, Chen SL, Lu DS, Kung CY, og Huang FY "Optimization of Field Emission egenskapene til karbon nanorør ved Taguchi Method", Thin Sol. Films, 496, 299-305, 2006. 36. Gadzuk JW og Plummer EW, "Field Emission Energy Distribution (FEED)", Rev Mod. Phys. 45, 487-548, 1973. 37. Brodie I. , Og Spindt C., "Vacuum Microelectronics", Adv.. Electron. Electron. Phys. 83, 1, 1992. 38. Tuggle DW, Jiao J., og Dong LF "Field utslipp nåværende svingninger fra isolerte karbon nanorør" Surf. Interface Anal. 36, 489-492, 2004 |