Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов
Исследованы углерод-азотные (CN) нановолокна, синтезированные в газостате. Диаметр нановолокон 100−150 nm. Содержание азота в наноструктурах, определенное методом спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), составляет до 13%. При измерении эмиссионных характеристик CN-наноструктуры показали поро...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2005
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70136 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов / Д.В. Батов, В.Д. Бланк, Е.В. Поляков, Б.А. Кульницкий, Б.К. Джу // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 47-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70136 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Батов, Д.В. Бланк, В.Д. Поляков, Е.В. Кульницкий, Б.А. Джу, Б.К. 2014-10-30T06:16:52Z 2014-10-30T06:16:52Z 2005 Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов / Д.В. Батов, В.Д. Бланк, Е.В. Поляков, Б.А. Кульницкий, Б.К. Джу // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 47-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.46.+w, 85.42.+m https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70136 Исследованы углерод-азотные (CN) нановолокна, синтезированные в газостате. Диаметр нановолокон 100−150 nm. Содержание азота в наноструктурах, определенное методом спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), составляет до 13%. При измерении эмиссионных характеристик CN-наноструктуры показали пороговую напряженность поля 1.4 V/μm, что является лучшим результатом для CN-наноструктур и совпадает с лучшими значениями для углеродных нанотрубок. При проведении испытаний на долговременную стабильность падение эмиссионного тока за 100 h непрерывной работы составило менее 10%. The carbon-nitrogen (CN) nanofibers formed by HIP processes have been investigated. Diameter of nanofibers was 100–150 nm. Nitrogen content of nanostructures determined by the EELS method equals to 13%. The turn-on fields were about 1.4 V/μm, this is the best result for the CN nanostructures fitting well the better values for carbon nanotubes. The time reliability and light emission tests were carried out for above 100 h and the current fluctuation was found to be less than 10%. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов Вуглець-азотні нанотрубки, отримані в газостаті, і їх застосування в якості холодних катодів Carbon-nitrogen nanotubes formed in gasostat and their utilization as cold cathodes Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| spellingShingle |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов Батов, Д.В. Бланк, В.Д. Поляков, Е.В. Кульницкий, Б.А. Джу, Б.К. |
| title_short |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| title_full |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| title_fullStr |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| title_full_unstemmed |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| title_sort |
углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов |
| author |
Батов, Д.В. Бланк, В.Д. Поляков, Е.В. Кульницкий, Б.А. Джу, Б.К. |
| author_facet |
Батов, Д.В. Бланк, В.Д. Поляков, Е.В. Кульницкий, Б.А. Джу, Б.К. |
| publishDate |
2005 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вуглець-азотні нанотрубки, отримані в газостаті, і їх застосування в якості холодних катодів Carbon-nitrogen nanotubes formed in gasostat and their utilization as cold cathodes |
| description |
Исследованы углерод-азотные (CN) нановолокна, синтезированные в газостате. Диаметр нановолокон 100−150 nm. Содержание азота в наноструктурах, определенное методом спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), составляет до 13%. При измерении эмиссионных характеристик CN-наноструктуры показали пороговую напряженность поля 1.4 V/μm, что является лучшим результатом для CN-наноструктур и совпадает с лучшими значениями для углеродных нанотрубок. При проведении испытаний на долговременную стабильность падение эмиссионного тока за 100 h непрерывной работы составило менее 10%.
The carbon-nitrogen (CN) nanofibers formed by HIP processes have been investigated. Diameter of nanofibers was 100–150 nm. Nitrogen content of nanostructures determined by the EELS method equals to 13%. The turn-on fields were about 1.4 V/μm, this is the best result for the CN nanostructures fitting well the better values for carbon nanotubes. The time reliability and light emission tests were carried out for above 100 h and the current fluctuation was found to be less than 10%.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70136 |
| citation_txt |
Углерод-азотные нанотрубки, полученные в газостате, и их применение в качестве холодных катодов / Д.В. Батов, В.Д. Бланк, Е.В. Поляков, Б.А. Кульницкий, Б.К. Джу // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 47-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT batovdv uglerodazotnyenanotrubkipolučennyevgazostateiihprimenenievkačestveholodnyhkatodov AT blankvd uglerodazotnyenanotrubkipolučennyevgazostateiihprimenenievkačestveholodnyhkatodov AT polâkovev uglerodazotnyenanotrubkipolučennyevgazostateiihprimenenievkačestveholodnyhkatodov AT kulʹnickiiba uglerodazotnyenanotrubkipolučennyevgazostateiihprimenenievkačestveholodnyhkatodov AT džubk uglerodazotnyenanotrubkipolučennyevgazostateiihprimenenievkačestveholodnyhkatodov AT batovdv vuglecʹazotnínanotrubkiotrimanívgazostatíííhzastosuvannâvâkostíholodnihkatodív AT blankvd vuglecʹazotnínanotrubkiotrimanívgazostatíííhzastosuvannâvâkostíholodnihkatodív AT polâkovev vuglecʹazotnínanotrubkiotrimanívgazostatíííhzastosuvannâvâkostíholodnihkatodív AT kulʹnickiiba vuglecʹazotnínanotrubkiotrimanívgazostatíííhzastosuvannâvâkostíholodnihkatodív AT džubk vuglecʹazotnínanotrubkiotrimanívgazostatíííhzastosuvannâvâkostíholodnihkatodív AT batovdv carbonnitrogennanotubesformedingasostatandtheirutilizationascoldcathodes AT blankvd carbonnitrogennanotubesformedingasostatandtheirutilizationascoldcathodes AT polâkovev carbonnitrogennanotubesformedingasostatandtheirutilizationascoldcathodes AT kulʹnickiiba carbonnitrogennanotubesformedingasostatandtheirutilizationascoldcathodes AT džubk carbonnitrogennanotubesformedingasostatandtheirutilizationascoldcathodes |
| first_indexed |
2025-11-24T03:39:56Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:39:56Z |
| _version_ |
1850837621461221376 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
47
PACS: 61.46.+w, 85.42.+m
Д.В. Батов1, В.Д. Бланк1, Е.В. Поляков1, Б.А. Кульницкий1, Б.К. Джу2
УГЛЕРОД-АЗОТНЫЕ НАНОТРУБКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ГАЗОСТАТЕ,
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ
1ФГУ «ТИСНУМ»
ул. Центральная, 7а, г. Троицк, 142190, Московская обл., Россия
2Корейский институт науки и технологий
131, Cheongriang, Seoul, 130-650, Korea
E-mail: batov@isan.troitsk.ru, dvbatov@mail.ru
Исследованы углерод-азотные (CN) нановолокна, синтезированные в газостате.
Диаметр нановолокон 100−150 nm. Содержание азота в наноструктурах, опреде-
ленное методом спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), составляет до
13%. При измерении эмиссионных характеристик CN-наноструктуры показали
пороговую напряженность поля 1.4 V/µm, что является лучшим результатом для
CN-наноструктур и совпадает с лучшими значениями для углеродных нанотрубок.
При проведении испытаний на долговременную стабильность падение эмиссионно-
го тока за 100 h непрерывной работы составило менее 10%.
Углеродные наноструктуры, и в частности углеродные нанотрубки, впервые
исследованные Ииджимой в 1991 г. [1], являются аллотропной формой углеро-
да, характеризующейся высокой степенью кривизны боковой поверхности, хо-
рошей химической стабильностью, механической прочностью и малой работой
выхода. Они привлекают внимание исследователей как материал для изготов-
ления острийных катодов в светоизлучающих элементах [2]. Углеродные на-
нотрубки и другие наноструктуры способны давать высокую (до 1 A/cm2)
плотность тока эмиссии при низкой (< 5 V/µm) напряженности поля. При этом
такие показатели наблюдаются не только у чисто углеродных наноструктур, но
и в случае CN-наноматериалов. В [3] приводятся данные, что CN-нанотрубки
диаметром менее 50 nm, полученные методом плазмохимического осаждения
из газовой фазы с горячей нитью (Hot Filament Plasma enhanced CVD), имели
пороговую напряженность поля для возникновения эмиссии ниже 3 V/µm.
В представленной работе мы получали CN-наноструктуры в газостате и
исследовали их эмиссионные свойства.
CN-наноструктуры (нанотрубки и нановолокна) синтезировали в газостате с
использованием в качестве газовой среды азота или смеси азот−аргон при общем
давлении в системе 75 MPa. В качестве источника углерода применяли графито-
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
48
вый нагреватель. Детальное описание процесса синтеза CN-наноструктур приве-
дено в [4,5]. Полученный осадок исследовали методами просвечивающей элек-
тронной микроскопии (ПЭМ), сканирующей ПЭМ с использованием установок
JEM-20CX, CM20 Philips TEM, VG 601 UX STEM и Hitachi S-4300. Также изуча-
ли ИК-спектры наноматериалов на фурье-спектрометре Brucker IFS-113.
Для исследования эмиссионных свойств CN-наноструктур на пластину из
натрового стекла наносили слой хрома. Катодную поверхность на основе CN-
наноструктур создавали впечатыванием (вдавливанием) последних в слой хро-
ма. Анодом служило стекло, покрытое пленкой из смеси оксидов индия и олова
с нанесенным люминофором (зеленый фосфор). Измерения эмиссионных
свойств проводили в вакуумной камере при давлении 10−9 MPa. В качестве ис-
точника постоянного тока использовали установку производства «F.u.G. Elec-
tronic». Эмиссионные характеристики CN-наноструктур измеряли при 300 K.
Исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) пока-
зали, что исходный CN-наноматериал представляет собой войлокоподобную
массу, состоящую из нанотрубок и нановолокон со случайной ориентацией.
Диаметр наноструктур находится в пределах 100−150 nm, длина каждого
нановолокна (нанотрубки) – более 10 µm (рис. 1). Увеличение парциального
давления азота в системе при неизменности величины общего давления при-
водило к усилению морфологических различий наноструктур в осадке. Это
может объясняться усилением конвекции в результате изменения газодина-
мических параметров газовой среды, что может приводить к увеличению
массопереноса и флуктуаций температуры в зоне роста CN-наноструктур.
При изучении CN-наноструктур на просвечивающем электронном микро-
скопе было установлено, что в полученном материале присутствуют бамбу-
коподобные нановолокна с равномерно расположенными внутренними пере-
городками (BL), бусоподобные наноструктуры (BdL), нанотрубки с тонкими
внутренними стенками и нановолокна с тонкими, не полностью сформиро-
вавшимися стенками (Cor-трубки) (рис. 2). Исследования методом EELS по-
казали, что содержание азота в наноструктурах различно и составляет 3−4% в
BL-волокнах, до 8.5% − в BdL-волокнах и до 13% − в Cor-трубках.
а б
Рис. 1. РЭМ-изображения CN-наноматериала: а – ×4000, б – ×18000
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
49
а б
в
ИК-спектр CN-наноматериала представлен на рис. 3. Видно, что в на-
номатериале превалируют одиночные C−N-связи. Полоса в области
1100 cm−1 обычно относится исследователями к вибрационной состав-
ляющей одиночной C−N-связи [6]. Имеются публикации [7], что нали-
чие в материале преобладающего количества одиночных C−N-связей по
сравнению с двойными и тройными может быть благоприятно для эмис-
сионных свойств материала.
Рис. 3. ИК-спектр CN-наноматериала
Рис. 4. Долговременная стабильность эмиссионного тока катода из CN-нанотрубок
(ускоряющее напряжение 1500 V)
Рис. 2. ПЭМ-микрофотографии CN-на-
ноструктур: а − BdL-наноструктуры, б −
BL-нановолокна, в − Cor-трубки
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
50
При изучении эмиссионных характеристик CN-наноструктур определяли
пороговую напряженность поля для возникновения эмиссии и долговремен-
ную стабильность эмиссионного тока для катода с CN-наноструктурами.
Пороговая напряженность поля, измеренная при расстоянии катод−анод 300;
500; 700 и 900 µm, составила соответственно 1.56; 1.48; 1.2 и 1.44 V/µm.
Долговременную стабильность эмиссионного тока CN-наноструктур изучали
при давлении 10−9 MPa, расстоянии катод−анод 700 µm при постоянной
напряженности поля 1.36 V/µm в течение 103 h (рис. 4). Светоизлучающий
элемент с диагональю 2.5 cm светился равномерно по всей поверхности при
эмиссионном токе 100−200 µA. Флуктуации эмиссионного тока на началь-
ном участке могут быть связаны с влиянием резкого приложения электриче-
ского поля. В дальнейшем, как видно из рис. 4, CN-нановолокна показывают
хорошую стабильность эмиссионных характеристик, и флуктуации тока
эмиссии при 200 µA составляют не более 10% за весь период измерения.
Ранее [8] сообщалось, что пороговая напряженность поля для углеродных
нанотрубок, выращенных на натровом стекле, составляет 3.4−3.6 V/µm. Наши
результаты показывают, что CN-наноструктуры имеют более высокие эмис-
сионные характеристики по сравнению с углеродными нанотрубками. Такое
различие в величине прикладываемого поля может быть результатом наличия
дефектных участков в структуре CN-нанотрубок и нановолокон [9]. В случае
углеродных нанотрубок эмиссия электронов обычно происходит с вершины
нанотрубки [10]. Однако в случае CN-наноструктур мы полагаем, что, помимо
эмиссии электронов с вершин нанотрубок и нановолокон, эмиссия происхо-
дит также и с дефектов на боковых стенках CN-наноструктур аналогично [11].
Выводы
Исследованы эмиссионные характеристики CN-нановолокона, синтезиро-
ванных в газостате. По результатам EELS содержание азота в нанострукту-
рах составляет до 13%. При измерении эмиссионных характеристик CN-
наноструктуры показали пороговую напряженность поля 1.4 V/µm, что яв-
ляется одним из лучших результатов для CN-наноструктур. Светоизлучаю-
щий элемент с размером диагонали 1 in с использованием катода с CN-
наноструктурами при испытании на долговременную стабильность эмисси-
онных показателей продемонстрировал падение тока эмиссии не более 10%
за 100 h тестирования.
1. S. Iijima, Nature (London) 354, 6438, 56 (1991).
2. M. Hirakaw, S. Sonoda, C. Tanaka, H. Murakami, H. Yamakawa, Applied Surface
Science 169−170, 662 (2001).
3. R. Kurt, J.M. Bonard, A. Karimi, Thin Solid Films 398−399, 193 (2001).
4. V.D. Blank, I.G. Gorlova, J.L. Hutchison, N.A. Kiselev, A.B. Ormont, E.V. Polyakov,
J. Sloan, D.N. Zakharov, S.G. Zybtsev, Carbon 38, 1217 (2000).
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 2
51
5. V.D. Blank, E.V. Polyakov, D.V. Batov, B.A. Kulnitskiy, U. Bangert, A. Gutierrez-
Sosa, A.J. Harvey, A. Seepujak, Diamond and Related Materials 12, 864 (2003).
6. Z.J. Zhang, S. Fan, C.M. Lieber, Appl. Phys. Lett. 56, 2582 (1995).
7. Y.K. Yap, K. Sida, Y.Wada, M. Yoshimura, Y. Mori, T. Sasaki, Diamond and Related
Materials 9, 1228 (2000).
8. Y.D. Lee, D.J. Lee, Y.H. Lee, J.E. Yoo, J.H. Park, B.C. Kim, B.K. Ju, Proc.
IDW’2002, December 4−6, 2002, Hiroshima, Japan, p. 1093.
9. M. Terrones, H. Terrones, N. Grobert, W.K. Hsu, Y.Q. Zhu, J.P. Hare, W. Kroto,
D.R.M. Walton, Ph. Kohler-Redlich, M. Rühle, J.P. Zhang, A.K. Chaatham, Appl.
Phys. Lett. 75, 3932 (1999).
10. N. Jiang, R. Koie, T. Inaoka, Y. Shintani, K. Nishimura, A. Hiraki, Appl. Phys. Lett.
81, 526 (2002).
11. D.Y. Zhong, G.Y. Zhang, S. Liu, T. Sakurai, E.G. Wang, Appl. Phys. Lett. 80, 506
(2002).
D.V. Batov, V.D. Blank, E.V. Polyakov, B.A. Kulnitsky, B.K. Ju
CARBON-NITROGEN NANOTUBES FORMED IN GASOSTAT
AND THEIR UTILIZATION AS COLD CATHODES
The carbon-nitrogen (CN) nanofibers formed by HIP processes have been investigated.
Diameter of nanofibers was 100–150 nm. Nitrogen content of nanostructures determined
by the EELS method equals to 13%. The turn-on fields were about 1.4 V/µm, this is the
best result for the CN nanostructures fitting well the better values for carbon nanotubes.
The time reliability and light emission tests were carried out for above 100 h and the cur-
rent fluctuation was found to be less than 10%.
Fig. 1. SEM images of CN nanostructures: а − ×4000, б − ×18000
Fig. 2. TEM images of CN nanostructures: а − beads-like nanotubes, б − bamboo-like
nanofibers, в − nanotubes with strongly corrugated walls
Fig. 3. IR-spectrum of CN nanostructures
Fig. 4. Field emission lifetime (I vs time) of CN nanofibers tested with applied voltage of
1500 V
|