Fältemission Egenskaper För experiment fältemission en hög elektrisk potential (upp till 250 V) tillämpades mellan CNT och disk elektrod. TEM-SPM installation möjliggör noggrann kontroll och mätning av position i CNT förhållande till anoden och andra omgivande objekt (fig. 2a). Den lokala området uppskattades med hjälp av [21], där är den tillämpade potential, är interelectrode avstånd, är fältet förbättring faktor. geometriska fältet förbättring faktor γ för nanorör bestämdes genom sin längd L och radie R som γ = (0.87L / R + 4.5) [32,33]. I vårt fall överstiger fältet förbättring faktor 100 för de flesta undersökta av nanorör med undantag för CVD vuxit rör som MWNTs där γ = 20 (Tabell 1). Figur 2b och tabell 1 visar jämförelse av strömmar fältemission som en funktion av lokala villkor för alla undersökta typer av kolnanorör. | Figur 2 a) TEM bild av en vuxen CVD flerskikts Nanorör under mätningarna fältemission;. B) nuvarande beroende på lokala fält för olika typer av CNT. Heldragna linjerna är passande med Fowler-Nordheim teorin beräknas med arbete funktion 8,1 eV bambu som nanorör och för andra - 5,1 eV. |
Normalt sätter fältemission för MWCNT odlas på Co / Mo katalysator på lokal inom 1,5 till 4,1 V / nm (tabell 1) och mättat fett på lokal inom 3,0 till 4,6 V / nm, vilket är jämförbart med litteraturen data för Flerväggiga kolnanorör [21]. Våra data för CVD vuxit SWNTs inte fylld och fylld med C 60-molekyler visar att fältemission börjar nästan identiska spänningar med de som observerats för MWNTs. Kommersiella CVD vuxit nanorör (från Aldrich) och MWCNTs vuxit med romanen superkritiska vätskan (SCF) deponeringsmetod uppvisar nästan identiska egenskaper fältemission att de som odlas av CVD metoden på ett Co / Mo katalysator (fig. 2b). Fältemission och ledande egenskaper cnts påverkas av graden av grafitisering [34]. Enligt våra resultat är situationen mer komplicerad. Ramanspektrum för CVD vuxit SWCNTs och SCF vuxit nanorör (Figur 3) visar skillnad i G och D-bandet nyckeltal höjd. G och D band motsvarar SP 2 (ledande strukturer) och SP 3 (oledande strukturer) bindning i cnts. Även G / D-bandet förhållandet och den därav följande högre grad av grafitisering observeras för cnts odlas på Co / Mo katalysator, observerar vi inte anmärkningsvärt diffrences i fastigheter fältemission av CVD och SCF vuxit nanorör. G / D-talet för bambu liknande strukturer är ännu högre än för CVD vuxit SWCNTs dock fältemission för Bamboo formade MWCNTs odlas på MgO stöds PD / Mo katalysator av CVD metoden ställer upp på mycket högre lokal fälten 7-8 V / nm (figur 2b). | Figur 3. Raman spektra av CVD odlade enda vägg cnts utarbetats av metan nedbrytning vid 800C, och SCF-växt cnts flerskikts av CO disproportion på 750C. |
Beroendet av nuvarande på lokala fältet erhållas för samtliga undersökta nanorör passade väl till Fowler-Nordheim-modellen (se figur 2b heldragna linjer), som anger att den nuvarande (I) per emitter varierar med det lokala fältet vid sändaren s yta ( A) [36,37]: (1) där Φ är arbetet funktion, V är spänningen, och d är interelectrode avståndet. För alla nanorör, utom BCNTs, fältemission egenskaper passar till Fowler-Nordheim-modellen när ett värde för arbetet funktion av grafit 5,1 eV [5] användes. Den säregna lokala fältet som behövs för utsläpp från BCNTs krävs ett värde verk funktion av 8,1 eV som ska användas. De korsningar i dessa BCNTs kommer sannolikt att påverka den effektiva L / R-förhållande, som bestämmer den faktor fältet förbättring, vilket gör utsläppen tröskeln fälten större. Den genomsnittliga fältemission strömmar fastställdes vid mättnad (se tabell 1) och varierade från 10 nA till 500 nA för CVD vuxit röret som MWCNTs, från 100 nA till 1,5 μA för BCNTs och från 150 nA till 2 μA för SCF vuxit MWCNTs. Kommersiellt tillgängligt (Aldrich) MWCNTs uppvisar högre strömmar fältemission - upp till 10 m A. Tidigare redovisade värden för fältemission mättnad strömmar för CVD vuxit nanorör varieras på ett mycket stort intervall från 2 nA till 9 μA [19]. Fältemission mättnad strömmar för CVD vuxit SWCNTs varierade från 100 nA till 5 μA för tomma och upp till 10 μA för C 60 fyllda SWCNTs. Under fältemission karakterisering av enskilda nanorör strömmar fältemission vid mättnad var fluktuerande i tid för ungefär 50% av medelvärden, liknande de som tidigare rapporterats [38]. Tabell 1. Fältemission egenskaper cnts vuxit i olika förhållanden. | Emission starta lokala området, V / nm | 1,5-4,1 | 3,0-4,9 | 3,5-0,4 | 4,5-5,5 | 2,5-4,5 | 8-10 | Fältemission ström, m A | 0,01-0,5 | Från 0,1 till 5,0 | Från 0,1 till 10,0 | 5 till 15 | 0,15 till 2,0 | Från 0,1 till 1,5 | Brytström, 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 lokala området, V / nm | Från 3,0 till 6,0 | Från 4,0 till 6,0 | Från 4,0 till 9,0 | Från 6,0 till 8,0 | Från 3,5 till 8,0 | Från 9,0 till 12,0 | Breaking plats | i kontakt | i kontakt | gradvis förstörelse | gradvis förstörelse | i kontakt | i kontakt, gradvis förstörelse | Fält förbättring faktor | 20 ± 5 | 110 ± 30 | 90 ± 10 | 105 ± 15 | 135 ± 30 | 150 ± 30 |
Vid höga lokala områden misslyckande nanorör har observerats (Fig. 4, tabell 1). Fel strömmar cirka 2 gånger högre än mättnad strömmar. Fel lokala fält redovisas i tabell 1 och varierade från 3 till 4,6 V / nm för rörliknande MWCNTs och upp till 12 V / nm för bambu-liknande MWCNTs. Litteratur värden för att bryta lokala fält för CVD vuxit nanorör från olika grupper varierade i intervallet 3 till 10 V / nm [19,21]. Breaking lokala fält för SWCNTs var jämförbara med MWCNTs (upp till 6 V / nm), medan C 60-fyllda SWNTs uppvisade en högre stabilitet med att bryta lokala fält upp till 9 V / nm. En successiv nedbrytning av C 60-fyllda SWNTs och BCNTs utsläppare vid höga tillämpas spänning (200-250V) observerades som visas i Figur 4 (se även tabell 1.) Medan alla andra nanorör misslyckades på svag kontakt mellan CNT och guld spets, i detta fall CNT bort helt från guldet spets när emissionsströmtäthet är inte särskilt hög. | Figur 4. En successiv förstörelse av en enkel vägg CNT fylld med C 60-molekyler bunt med konstant spänning (200 V). Tiden mellan bilder är 10 s. |
Elektrisk Karaktärisering Med hjälp av en Två Probe metod För att mäta den elektriska ledningsförmåga enskilda cnts var nanotube bringas i direkt kontakt med en disk elektrod som visas i figur 5a. I (V) egenskaperna hos alla typer av cnts upp i detta dokument visas i figur 5c. Tabell 2. Ledande och bryta egenskaper hos CVD vuxen cnts | Breaking spänning, V | Från 4,5 till 6,0 | Från 5,0 till 11,0 | Från 4,0 till 4,5 | ≥ 25 | Från 0,7 till 8,0 | Från 0,7 till 5,0 | Brytström, A m | 12 till 19 | 7 till 80 | 10 till 18 | ≥ 0,3 | ,0003-0,01 | 0,0005 till 0,005 | Breaking plats | nära kontakt | nära mitten | nära mitten | nära mitten | nära mitten | nära mitten, nära kontakt |
Därför motstånd för alla nanorör kan delas in i två grupper. Motståndet i den första gruppen (rörliknande MWCNTs och SWCNTs) av nanorör varierade i intervallet 250 kohm - 1MΩ, vilket är typiskt för två-probe karaktärisering av CVD vuxit cnts [19]. Motståndet i denna grupp minskar i storleksordningen CVD vuxit tub som MWCNTs, tomma och fyllda med C 60 SWCNTs (figur 5c). C 60-fyllda SWNTs uppvisade lägre motstånd i jämförelse med ofyllda SWNTs. För CVD vuxit BCNTs, kommersiella MWCNTs och SCF vuxit MWNTs var motståndet mäts högre med 3 tiopotenser i jämförelse med data för första grupp av nanorör redovisas ovan. Anledning till att sådana skillnader för SCF och kommersiella nanorör kan vara en lägre grad av grafitisering i jämförelse med nanorör odlas på C0/Mo katalysator. Som framgår av Raman spektrum (Figur 3), SCF nanorör uppvisar lägre grad av grafitisering i jämförelse med nanorör som odlas på Co / Mo katalysator av CVD-metoden. Vår uppfattning är att de kommersiella och SCF vuxit nanorör har fragmentariska yttre skal med en hög täthet av defekter. I händelse av en två-punkt karakterisering, disk elektrod kontakter direkt till defekta yttre skal i stället för strömförande mindre defekta inre skal. För att ge elektrontransport genom inre skal, är en högre spänning krävs. Som tidigare rapporterats, yttre lager av kolnanorör är dominerande i elektron transporter och därmed bestämma ledningsförmåga nanorör [22]. Möjligen inre lagren deltar i fältemission därför betydande skillnader i fältemission mellan CVD och SCF vuxit nanorör har inte observerats (Figur 2b) i jämförelse med skillnaden i motstånd (figur 5c). Det är möjligt att de korsningar som finns i bambu liknande strukturer jämnt minska ledningsförmåga i yttre och inre väggarna i cnts. Den här egenskapen kan öka motståndet i fältemission och konduktivitet. Nanotube Kvalitet Att karaktärisera kvaliteten på nanorör, strömmar misslyckande och spänningar bestämdes (se tabell 2). Nanotube misslyckande strömmar var upp till 20 μA för CVD-växt SWNTs och MWNTs och upp till 80 μA för C 60-fyllda SWNTs. Fel spänningar var upp till 5 V för SWNTs och upp till 10 V för C 60-fylld SWNTs (se tabell 2). Bambu typ cnts är stabila även vid 25 V vilket innebär att dessa nanorör kan användas i höga elektriska fält applikationer. Figur 5b visar att nanorör störs nära dess mitt, som har observerats för alla typer av nanorör. Detta resultat tyder på att rören resistively värmdes och att temperaturen blir lokalt tillräckligt hög för att förånga grafit väggen, varför är platsen för skada genom joulsk upphettning inte bestäms av förekomsten av brister i CNT. Därför har placeringen av bristerna inte en effekt på bristningsgränsen av CNT under observation. I andra arbeten [19,21] nanorör fel hittades nära mitten och i kontakt med regionerna. | Figur 5 a) MWCNT vuxit med CVD-metoden och b) nanorör sönder under två-probe mätningar,. C) jämförelse mellan I (V) kurvor för olika typer av cnts: 1 - singlewall cnts fylld med C 60-molekyler, 2 - tomma singlewall cnts, 3 - flerskikts cnts odlas på Co / Mo katalysator, 4 - Aldrich kommersiellt tillgängliga flerskikts cnts, 5 - flerskikts cnts odlas på PD / Mo katalysator, 6 - flerskikts cnts vuxit med superkritisk vätska metod. |
|
1. Tans SJ, Verschueren ARM, Dekker C., "Rumstemperatur transistor bygger på en enda Nanorör", Natur, 393, 49-52, 1998. 2. Postma HW Ch., Teepen T., Yao Z., Grifoni M., Dekker C., "Nanorör enda elektron transistorer i rumstemperatur", Science, 293, 76-79, 2001. 3. Auvray S., Derycke V., Goffman M., Filoramo A., Jost O. och Bourgoin J.-P., "kemiska Optimering av egna sammansatta Transistorer Nanorör" Nano Lett., 5 (3), 451 -455, 2005. 4. Xiao K., Liu Y., Hu P., Yu G., Fu L., och Zhu D., "Hög prestanda fälteffekttransistorer gjorda av en flerskikts CNX / C nanorör intramolekylära Junction", Appl. Phys. Lett., 83 (23), 4824-4826, 2003. 5. Weitz RT, Zschieschang U., Effenberger F., Klauk H., Burghard M., Kern K., "High-Performance Nanorör-transistorer med en tunn Gate Dielektrisk Baserat på en self-assembled cellslager" Nano Lett., 7, 22-27, 2007. 6. Bathold A., Hadley P., Nakanishi T., Dekker C., "logiska kretsar med transistorer Nanorör", Science, 294, 1317-1320, 2001. 7. Rueckes T., Kim K., Joslevich E., Tseng GY, Cheung C. och Lieber CM, "Nanorör-Based Non-Volatile Random Access Memory för Molekylär Computing", Vetenskap, 289, 94, 2000. 8. Lee SW, Lee DS, Morjan RE, Jhang SH, Sveningsson M., Nerushev OA, Park YW, och Campbell EEB, "En tre Terminal Carbon Nanorelay" Nano Lett. 4, 2027, 2004. 9. Ke C., Espinosa HD, "In Situ elektronmikroskopi Elektromekaniska karakterisering av en Bistabil NEMS enhet", Liten, 2 (12), 1484 - 1489, 2006. 10. Park M., Cola B., Siegmund T., Xu J., Maschmann MR, Fisher TS, och Kim H., "Effekter av en Nanorör lager på elektrisk kontakt motståndet mellan koppar substrat", nanoteknik, 17, 2294-2303 , 2006. 11. Brian H., Halsall HB, Dong Z., Jazieh A., Tu Y., Wong D., Pixley S., Behbehani ml, och Schulz MJ, "en Nanorör 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, "river upp Nanorör -. Fältemission från en Atomic Wire" vetenskap, 269 (5230) , 1550-1553, 1995. 13. Deheer WA, Chatelain A., Ugarte D., "en Nanorör fältemission Electron Källa", 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 Använda Multiwalled kolnanorör odlas på Silicon Tips regionen av Microwave Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition ", J. Vac. Sci. Tekniken. B, 21 (1), 391-394, 2003. 15. Bonard JM, Weiss N. Kind H., Stöckli T., Forro L. Kern K, Chatelain A., "Tuning Egenskaper fältemission av mönstrade Carbon Nantoube filmer", Adv. Mater., 13 (3), 184-188. 2001. 16. Wang QH, Corrigan TD, Dai JY, Chang RPH, Krauss AR, "Field Emission från Emitters Nanotube Paket på låga 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, "amorft kol Nanotrådar undersökts av nära-Edge-X-Ray-Absorption-Fine- strukturer ", Phys J.. Chem. B, 105 (8), 1519-1522, 2001. 18. Iijima S., "Raka mikrotubuli av grafitfria kol", Nature, 354 (6348), 56-58, 1991. 19. "Kolnanorör". Dresselhaus MS, Dresselhaus G., Avouris Ph Eds. Ämnen i tillämpad fysik, Springer Verlag, Berlin , 80, 1 till 430, 2001 20. Li Z., Andzane J., Erts D., Tobin JM, Wang K., Morris MA, Attard G., och Holmes JD "Nya Superkritisk Fluid Metod för växande kolnanorör", Adv. Mater., Under tryckning. 21. Bonard JM, Klinke C., Dean KA och Coll BF, "Nedbrytning och Fel Field Nanorör Emitters" Phys. Rev B, 67, från 115.406 till 1, 2003. 22. Collins PG, Arnold MS, Avouris P., "Engineering kolnanorör och kretsar Nanotube med hjälp av elektriska Breakdown", Science, 292 (5517), 706 till 709, 2001. 23. Wey W., Liu Y., Jiang K., Peng LM och fläkt S., "Tips kyleffekt och skadetypen av fält-Emitting kolnanorör" Nano Lett., 7 (1), 64-68, 2007. 24. Ding F., Jiao K., Lin Y., Yakobson B., "Hur Förångningstemperatur kolnanorör behålla sin perfektion?", Nano Lett., 7 (3), 681-684, 2007. 25. Ohnishi H., Kondo Y., Takayanagi K. "Kvantiserad konduktans genom individuella rader av svävande guld atomer", Naturen 395, 780-783, 1998. 26. Kizuka T . "Atomic process punkt kontakt i guld studerats av tidsupplöst högupplösande transmissionselektronmikroskop" Phys. Rev Lett. 81 (20), 4448-4451, 1998. 27. Poncharal P., Wang ZL, Ugarte D., de Heer WA "Elektrostatisk Nedböjningar och Electromechanical resonanser av kolnanorör", 283 Vetenskap, 1513-1516, 1999. 28. Cumings J. och Zettl A. "låg friktion Nanoscale Linear Med Realiserade från flerskikts kolnanorör" Science 289, 602-604, 2000. 29. Erts D., Olin H., Ryen L., Olsson E., och Tholen A. "Maxwell och Sharvin konduktans i guld Point Kontakter undersökts med hjälp av TEM-STM" Phys. Rev B 61, 12.725-12.728, 2000. 30. Erts D., Lõhmus A., Lõhmus R. och Olin H., "instrumentering av STM och AFM Kombinerat med transmissionselektronmikroskop", Appl. Phys., En 72 (7), S71-S74, 2001. 31. Li QW, Yan H., Cheng Y. Zhang J., Liu ZF, "En skalbar CVD Syntes av högrent enkel vägg kolnanorör med Porösa MgO som stödmaterial", J. Mater. Chem, 12 (4):. 1179-1183, 2002. 32. Cumings J., Zettl A., McCartney MR och Spence JCH "Electron Holografi av fält-Emitting kolnanorör", Phys. Rev Lett. 88, 056.804, 2002. 33. Maiti A., Brabec CJ, Roland cm och Bernholc J., "Tillväxt Energetics av kolnanorör" Phys. Rev Lett. 73, 2468, 1994. 34. Ting JH, Chang CC, Chen SL, Lu DS, Kung CY, och Huang FY "Optimering av Fält Utsläpp av kolnanorör med Taguchi Method", Thin Sol. Filmer, 496, 299-305, 2006. 36. Gadzuk JW och Plummer EW, "Field Emission Energidistribution (FEED)", rev mod. Phys. 45, 487-548, 1973. 37. Brodie I. Och Spindt C., "Vacuum Microelectronics", Adv. Electron. Electron. Phys. 83, 1, 1992. 38. Tuggle DW, Jiao J., och Dong LF "fältemission nuvarande variationer från enstaka kolnanorör" Surf. Gränssnitt Anal. 36, 489-492, 2004 |