Физика процессов в матричных автоэмиссионных катодах на основе

Физика процессов в матричных автоэмиссионных катодах на основе углеродных нанотрубок в приборах сверхвысокочастотного и терагерцового диапазонов О. Е. Глухова 1, Ю. В. Гуляев 2, А. С. Колесникова 1, И. Г. Торгашов 2, Г. В. Торгашов 2, Н. И. Синицын 2 1 Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского 2 Саратовский филиал ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН

1. Островковый эффект. Увеличение плотности тока оптимизацией конфигурации паттерна

Во время экспериментов с автоэмиссионными катодами на основе УНТ было замечено значительное снижение пороговой напряженности электрического поля и увеличение плотности тока автоэмиссии в случаях, когда эмитирующая пленка была нанесена на подложку не сплошным слоем, а в виде какого-либо рисунка (паттерна). В связи с этим наблюдением был проведен ряд расчетов влияния паттернов на катоде на получаемый с него ток автоэмиссии. Наиболее подробно нами был исследован один из возможных паттернов эмитирующего материала в виде концентрических колец равной ширины. 3

Концентрическое кольцо паттерна, образованное массивом УНТ 4

Модель паттерна Вид расчетной области для паттерны в виже концентрических колец и ее варьируемые параметры: толщина эмитирующей пленки h, радиус скругления неоднородностей Rc, ширина кольца d, расстояние между кольцами s, расстояние между анодом и катодом L, число колец N, радиус анода R. 5

Увеличение тока автоэмиссии для катода с кольцевым паттерном в отношении к катоду без паттерна в зависимости от ширины кольца d. Расчет проведен при d + s = 40 мкм, N = 20, Rc = 1 мкм, h = 5 мкм, L = 100 мкм 6

1. Расчет показывает, что увеличение эмиссии с уменьшением ширины эмитирующего кольца может достигать нескольких порядков, что неизбежно приведет к разрушению паттерна. Такое увеличение тока означает, что рабочее напряжение данной системы можно снизить в 2– 4 раза. 2. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что оптимальная ширина кольца d при значениях прочих параметров, приведенных выше, лежит в диапазоне d = 20– 30 мкм, увеличение тока в этом случае значительно, но еще не превышает допустимых пределов, после которых возникает термическое разрушение эмитирующей пленки и деградация катода. Катод с паттернами можно рекомендовать к применению в импульсных режимах работы с достаточно высокой скважностью. Выводы 7

2. Конфигурация УНТ в паттерне. 8

Примеры различных паттернов/меандров A. S. Basaev, E. V. Blagov, V. A. Galperin, A. A. Pavlov, U. P. Shaman, A. A. Shamanaev, S. V. Shamanaev and A. S. Prihodko. Specificities of Growth of Topological Arrays of Carbon Nanotubes // ISSN 1995_0780, Nanotechnologies in Russia, 2012, Vol. 7, Nos. 1– 2, pp. 22– 27. РЭМ изображения массивов УНТ в виде меандров шириной : а) 30 мкм, б) 10 мкм, в) 5 мкм и г) 1, 5 мкм, синтезированных на установке «УНТ-3» Образцы получены в ИНМЭ РАН совместно с НПК «Технологический центр»

Разработка и оптимизация эмиссионных катодных матриц на основе УНТ полученных с помощью установки Nanofab 800 Agile РЭМ изображения структурированного массива УНТ сформированного с применением электронно-лучевой литографии, и отдельного пучка (в) 10

Давление: 1· 10 -5 Па. Расстояние между электродом и пучком: 5 мкм. Образцы получены в ИНМЭ РАН совместно с НПК «Технологический центр» 11

Возможность применения УНТ для решения задач 3 D сборки и межсоединений Длительность синтеза 2 минуты Длительность синтеза 10 минут РЭМ изображения УНТ выращенных в контактных окнах на установке УНТ -3: (а) длительность синтеза 10 мин, (б) длительность синтеза 2 мин. Образцы получены в ИНМЭ РАН совместно с НПК «Технологический центр»

Моделирование УНТ в паттерне

Однослойная УНТ длиной l=35 Å в электрическом поле напряженностью 3*108 В/м Картина распределения напряженности по поверхности УНТ: Еmax=2. 276 *109 В/м Эквипотенциальные линии:

Значение напряженности на поверхности трубки , В/м Плотность тока автоэмиссии, мк. А/см 2 Цвет 2. 276*109 64. 16 красный 2. 02335*109 1. 42 оранжевый 1. 77044*109 0. 01 желтый 1. 5175*109 0 зеленый

График зависимости коэффициента усиления поля от длины одностенной УНТ 16

5 слоев, Длина-35. 67, Emax=1. 77· 109 В/м Многослойные УНТ 17

18

График зависимости коэффициента усиления поля β для многослойных УНТ с различным количеством слоев. ■ - l = 35 Å, ● - l = 48 Å, ■ - l = 60 Å

Значения плотности тока многослойной УНТ длиной l = 35 Å при разном количестве слоев от 1 до 6. поля, β Максимальное значение напряженности на поверхности УНТ, В/м Значение плотности тока автоэмиссии, мк. А/см 2 1 7. 586 2. 276*109 64. 16 2 7. 0 2. 108*109 4. 95 3 6. 26 1. 93*109 0. 154 4 6. 33 1. 88*109 0. 104 5 5. 9 1. 77*109 0. 01 6 5. 76 1. 73*109 0. 004 Количество слоев Коэффициент усиления

Графики зависимости коэффициента усиления поля от расстояния УНТ длиной 35 Å и 60Å : ■ – однослойная УНТ, ● – 2 х слойная УНТ, ♦ - 3 х слойная УНТ. l=35 Å l=60 Å

Технологическое оборудование для РЕCVD синтеза УНТ Возможности системы PECVD “Nanofab 800 Agile” • Осаждение УНТ на пластины диаметром до 100 мм; • Получение высоко ориентированных массивов УНТ, в том числе прямых отдельно стоящих УНТ и их матриц; • Проведение плазменной обработки пластин; • Плазменная стимуляции процесса осаждения и синтез УНТ в диапазоне температур 400 – 800 о. С; • Осаждение проводящих и диэлектрических материалов; • Индивидуальную загрузку пластин диаметром до 100 мм через шлюзовую камеру. Установка находится в совместном пользовании ИНМЭ РАН и НПК «Технологический центр» 22

Направления разработок • Преобразователи физических величин: сенсоры давления, ускорения • Активные компоненты электроники диоды и триоды • Радиоэлектронные устройства элементы РПУ на УНТ • Дисплеи • Пассивные компоненты экраны ЭМИ, СВЧ фильтры • Элементы питания • 3 D сборка и межсоединения 23

Разработка интегрального преобразователя давления на основе топологических массивов УНТ в качестве чувствительных элементов (г) (а) (б) (в) (д) Расчет деформации кремниевой мембраны для оптимизации расположения чувствительных элементов (а), РЭМ изображения ЧЭ на базе массивов УНТ (б, в), топологический вид экспериментального образца преобразователя давления (г) и принцип компоновки кристалла в корпус для измерения характеристик (д). Экспериментальные образцы находятся на стадии испытаний. Работа ведется в НПК «Технологический центр» 24 Галперин В. А. , Павлов А. А. , Поломошнов С. А. , Шаман Ю. П. , Шаманаев А. А. Исследование электрофизических характеристик структур на основе топологических массивов углеродных нанотрубок // Нано- и микросистемная техника. 12(137) 2011. – С. 2 -5.

триодных матриц разрабатываемые в НПК «Технологически центр» Варианты планарной компоновки триода Варианты объемной компоновки триода 25

Антенны на основе УНТ Диаграммы излучения в плоскости x-z микрополосковой прямоугольной антенны размером 5 х2 см 2 с (кружки) и без (квадраты) УНТ массива, измеренного при трех частотах: (a) 0, 8 ГГц, (b) 1, 0 ГГц, и (c) 1, 5 ГГц Схематические чертежи процесса измерения излучения микрополосковой прямоугольной антенны Zhu Q. , Liu W. , Zhang H. , Xin H. Experimental study of microwave radiation of carbon nanotube arrays \ Appl. Phys. Lett. 2009 Vol. 95 P. 083119 -1 – 083119 -3. 26

Принципиальная схема пикселя дисплея на основе полевой эмиссии электронов из УНТ 27

Исследование эмиссионных характеристик структурированных массивов УНТ для создания дисплеев (б) (в) (а) Конструкция структурированного катода полученного в НПК «Технологический центр» , (б) интегральная система измерения эмиссии с люминесцентным экраном и (в) РЭМ изображение синтезированных массивов УНТ на структурированном катоде Navitski A. , Labunov V. , Prudnikava A. , Gorokh G. , Shulitski B. , Sakharuk V. , Navitski A. , Müller G. , Basaev A. 28 Structured Carbon Nanotubes Based Field Emission Cathodes \ Proceedings of the 29 International Display Research Conference Eurodisplay 2009, Rome, Italy, September 14 -17, 2009, pp. 248 -250.

Исследование эмиссионных характеристик структурированных массивов УНТ для создания дисплеев a) б) Результаты интегральных измерений структурированного катода с высотой столбиков 20 µм в режиме постоянного напряжения при 77 мк. A, 5. 8 В/мкм (а) и импульсного напряжения (длительность импульса τ = 2 мс, соотношение τ к периоду 1: 10) при 290 мк. А, 9. 2 В/мкм (б) 29

Экраны ЭМИ на основе УНТ Достоинства экранов ЭМИ на основе УНТ: • Высокая электропроводность УНТ обеспечивает эффективное отражение/поглощение ЭМИ • УНТ с ферромагнитным наполнителем обеспечивают эффективное поглощение • Ферромагнитный наполнитель, инкапсулированный в УНТ, не подвергается коррозии Зависимость уровня поглощения сигнала ЭМИ от частоты для Si подложки (1), ориентированных массивов УНТ на Si подложке (2) и разориентированных УНТ (3) Магнитофункционализированные УНТ получены в НПК «Технологический центр» Labunov V. A. , Bogush V. A. , Prudnikava A. L. , Shulitski B. G. , Komissarov I. V. , Basaev A. S. , Tay B. K. , Shakersadeh 30 M. Microwave Frequency Characteristics of Magnetically Functionalized Carbon Nanotube Arrays // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2012. Vol. 54, No 1. P. 70 -80.

Возможности применения УНТ в аккумуляторах • Добавление УНТ в литийсодержащие электродные материалы позволяет повысить ток заряда и разряда батареи • Формирование токоприемников на основе УНТ позволяет создавать гибкие аккумуляторные батареи 31 • Создание композита УНТ-Si позволяет повысить емкость батареи

Анодный материал на основе УНТ-кремний Cui L. -F. and et. Al. Light-Weight Free-Standing Carbon Nanotube. Silicon Films for Anodes of Lithium Ion Batteries // Acs. Nano. 2010. Vol. 4, No 7. P. 3671– 3678 РЭМ изображение полученного анодного материала на основе Si-УНТ 32

3 D сборка и межсоединения Варианты заполнения отверстий TSV Заполнение отверстий медью Недостатки: образование пустот, стыков, отложений, высокие сопротивления при пропускании СВЧ сигналов Заполнение отверстий проводящей пастой Недостатки: • Относительно высокое сопротивление • Сжатие материала пасты в процессе вулканизации 33

Возможность применения УНТ для решения задач 3 D сборки и межсоединений (а) Длительность синтеза 10 минут (б) Длительность синтеза 2 минуты РЭМ изображения УНТ выращенных в контактных окнах на установке УНТ-3: (а) длительность синтеза 10 мин, (б) длительность синтеза 2 мин.

РЭМ изображения отверстий и проводников, сформированных на основе композитов УНТ-Cu (в) (г) • Значительное снижение сопротивления • Большая надежность • Сокращение пористости • Тепловое сопротивление композита составляет всего 10 mm 2* K/W (а, б) зарубежные разработки (в, г) достигнутые результаты в НПК «Технологический центр» Chai Y. , Zhang K. , Zhang M. , Chan P. C. H. , Yuen M. M. F. Carbon Nanotube/Copper Composites for Via Filling and Thermal Management // Electronic Components and Technology Conference 2007. P. 1224 -1229. 35