Carbon nanowalls in field emission cathodes

Abstract

The carbon nanowall (CNW) layers were grown from a gas mixture of hydrogen and methane, activated by a DC glow discharge, on Si substrates (Si/CNW layered structure). The second layer of CNW was grown either on the first layer (Si/CNW/CNW structure) or on Ni or NiO films deposited on the first CNW layer (Si/CNW/Ni/CNW and Si/CNW/NiO/CNW structures). The composition and structure of the resulting layered structures were studied using scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray diffractometry. It was found that annealing of Si/CNW structure in vacuum, growing of the second CNW layer on Si/CNW, as well as deposition of Ni or NiO films prior to the growing of the second CNW layer improve functional properties of field emission cathodes based on the electron-emitting CNW layers.

Слои углеродных наностенок (СН) выращивали из газовой смеси водорода и метана, активированной тлеющим разрядом постоянного тока, на подложках из Si (слоистая структура Si/СН). Второй слой СН выращивали на первом слое (структура Si/СН/СН) или на пленках Ni или NiO, осажденных на первом слое СН (структуры Si/СН/Ni/СН и Si/СН/NiO/СН). Методами растровой электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и рентгеновской дифрактометрии исследованы состав и строение полученных слоистых структур. Установлено, что отжиг в вакууме структуры Si/СН, наращивание на Si/СН второго слоя СН, а также нанесение пленок Ni или NiO перед наращиванием второго слоя СН приводят к улучшению функциональных свойств автоэмиссионных катодов на основе слоев СН, эмитирующих электроны.

Шари СН для досліджень вирощували з газової суміші Н₂ і СН₄, активованої тліючим розрядом постійного струму, на підкладках з Si. Перед нарощуванням СН на підкладках створювалися вуглецеві затравочні центри шляхом обробки поверхні іонами Н+ та СхНу+. Емісійні характеристики отриманих шаруватих структур Si/СН контролювали півгодинними випробуваннями. Піддані випробуванням та/або тривалому зберіганню на відкритому повітрі шаруваті структури Si/СН або відпалювали в вакуумі (1,5 години при 720 К), або на їх поверхні нарощували другий шар СН (Si/СН/СН) за тих же умов, що і перший. Другий шар СН нарощували також на поверхні першого шару СН, вкритого плівкою Ni або NiO (структури Si/СН/Ni/СН та Si/СН/NiO/СН). Плівки Ni отримували методом магнетронного розпилення, а плівки NiO — термічною обробкою в розчині Ni(NO₃)₂. Максимальна висота першого шару СН щодо підкладки становила 2—4 мкм, сумарна висота першого і другого шарів — 8,5 мкм. Склад і будову шаруватих структур досліджували з використанням растрової електронної мікроскопії, рентгенівської дифрактометрії і спектрометрії комбінаційного розсіювання світла.