RU2674752C1 - Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode - Google Patents
Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674752C1 RU2674752C1 RU2018103509A RU2018103509A RU2674752C1 RU 2674752 C1 RU2674752 C1 RU 2674752C1 RU 2018103509 A RU2018103509 A RU 2018103509A RU 2018103509 A RU2018103509 A RU 2018103509A RU 2674752 C1 RU2674752 C1 RU 2674752C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glassy carbon
- carbon
- concentration
- cesium
- cesium atoms
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/04—Liquid electrodes, e.g. liquid cathode
- H01J1/05—Liquid electrodes, e.g. liquid cathode characterised by material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур.The invention relates to the field of electronic technology and can be used in the manufacture of products of light-indicating equipment and emission electronics based on field emission of multi-edge carbon structures.
Известен материал для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода (см. патент РФ №2309480 по кл. МПК H01J1/30, опуб. 27.10.2007), представляющий собой графитовую матрицу с включениями наноалмазных кристаллитов с размерами d<L, где L=(ε0εkT/e2no).Known material for the manufacture of a multi-tip field emission cathode (see RF patent No. 2309480 according to class IPC H01J1 / 30, published October 27, 2007), which is a graphite matrix with inclusions of nanodiamond crystallites with dimensions d <L, where L = (ε 0 εkT / e 2 n o ).
Недостатком автоэмиссионных катодов, полученных на основе наноалмазографитовых структур, является то, что в условиях длительной эксплуатации при высоких плотностях автоэмиссионных токов, которое достигается при повышенных напряженностях внешнего электрического поля, происходит разрушение эмиттирующей структуры.The disadvantage of field emission cathodes obtained on the basis of nanodiamond-graphite structures is that under long-term operation at high field-emission current densities, which is achieved with increased external electric field strengths, the emitting structure is destroyed.
Известен также материал для изготовления автоэмиссионного катода (см. заявку на изобретение РФ №2002116766 по кл. МПК H01J1/14, опуб. 10.02.2004), образованного частицами измельченных углеродных волокон длиной 0,05-7 мкм с отношением длины к толщине 1-20, при этом частицы располагают вертикально на токопроводящем слое в процессе электрофореза.Also known material for the manufacture of a field emission cathode (see application for invention of the Russian Federation No. 2002116766 according to class IPC H01J1 / 14, publ. 02/10/2004) formed by particles of ground carbon fibers 0.05-7 microns in length with a length to thickness ratio of 1- 20, while the particles are placed vertically on the conductive layer during electrophoresis.
Недостаток автоэмиссионных катодов, полученных на основе углеродных волокон связан с хаотичностью расположения микроскопических эмиссионных центров в многоострийных автоэмиссионных катодах, а также с эффектами их взаимного влияния друг на друга, с изменчивостью общих макроскопических параметров при варьировании условий эксплуатации катода. Все это приводит к нестабильности эмиссионных характеристик таких катодов.The disadvantage of field emission cathodes based on carbon fibers is associated with the random arrangement of microscopic emission centers in multi-edge field emission cathodes, as well as with the effects of their mutual influence on each other, with the variability of the general macroscopic parameters when varying the operating conditions of the cathode. All this leads to instability of the emission characteristics of such cathodes.
Наиболее близким к заявляемому является материал для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода, в качестве которого используют стеклоуглерод (см. патент РФ №2526240 по кл. МПК H01J1/30, опуб. 20.08.2014). Уменьшение напряженности поля автоэлектронной эмиссии достигается здесь путем увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий, которые специально заостряются в кислородной плазме.Closest to the claimed material is the material for the manufacture of a multi-tip field emission cathode, which is used as glassy carbon (see RF patent No. 2526240, class IPC H01J1 / 30, publ. 08.20.2014). A decrease in the field intensity of field emission is achieved here by increasing the electric field gain of the tips of the tips, which are specially sharpened in the oxygen plasma.
Недостатком автоэмиссионных катодов, полученных на основе такого стеклоуглерода, является отсутствие возможности управлять работой выхода стеклоуглерода, а, следовательно, уменьшать напряженность поля автоэлектронной эмиссии.The disadvantage of field emission cathodes obtained on the basis of such glassy carbon is the inability to control the work function of the glassy carbon, and, consequently, to reduce the field intensity of field emission.
Технической проблемой заявляемого изобретения является повышение эффективности работы многоострийных автоэмиссионных катодов за счёт регулирования эмиссионных свойств стеклоуглерода.The technical problem of the claimed invention is to increase the efficiency of multi-axis field emission cathodes by regulating the emission properties of glassy carbon.
Техническим результатом является снижение работы выхода стеклоуглерода, обеспечивающее повышение электронной проводимости стеклоуглерода и, как следствие, повышение плотности тока многоострийных автоэмиссионных катодов.The technical result is a decrease in the work function of glassy carbon, providing an increase in the electronic conductivity of glassy carbon and, as a result, an increase in the current density of multi-edge field emission cathodes.
Техническая проблема достигается тем, что материал для изготовления многоострийного автоэмиссионного катода, содержащий стеклоуглерод, согласно изобретению, содержит стеклоуглерод с нанопорами, заполненными атомами цезия методом допирования с концентрацией атомов цезия, определяемой размерами нанопор.The technical problem is achieved in that the material for the manufacture of a multi-tip field emission cathode containing glassy carbon, according to the invention, contains glassy carbon with nanopores filled with cesium atoms by doping with a concentration of cesium atoms determined by the size of the nanopores.
В предпочтительном варианте материал может содержать стеклоуглерод с плотностью 1,4 г/см3. Материал может содержать стеклоуглерод с размером нанопор 0,7-1,3 нм и с концентрацией атомов цезия до 4%, с размером нанопор 0,4-0,8 нм и с концентрацией атомов цезия до 2%, с размером нанопор 0,2-1,12 нм и с концентрацией атомов цезия до 2,5%.In a preferred embodiment, the material may contain glassy carbon with a density of 1.4 g / cm 3 . The material may contain glassy carbon with a nanopore size of 0.7-1.3 nm and a cesium atom concentration of up to 4%, with a nanopore size of 0.4-0.8 nm and a cesium atom concentration of up to 2%, with a nanopore size of 0.2 -1.12 nm and with a concentration of cesium atoms up to 2.5%.
Равновесное расстояние между атомами цезия и атомами углерода составляет 3.2Å, что согласуется с результатами работы [G.-H. Jeong, A. A. Farajian, R. Hatakeyama, T. Hirata, T. Yaguchi, K. Tohji, H. Mizuseki, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. B 68, 075410 (2003)].The equilibrium distance between cesium atoms and carbon atoms is 3.2 Å, which is consistent with the results of [G.-H. Jeong, A. A. Farajian, R. Hatakeyama, T. Hirata, T. Yaguchi, K. Tohji, H. Mizuseki, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. B 68, 075410 (2003)].
В известных автору источниках патентной и научно-технической информации не описано исследований по снижению работы выхода стеклоуглерода при легировании стеклоуглерода атомами цезия и изменении размера нанопор.The sources of patent and scientific and technical information known to the author do not describe studies on reducing the work function of glassy carbon when doping glassy carbon with cesium atoms and changing the size of nanopores.
В работе (А.С. Фиалков, Углеграфитовые материалы. Энергия, М. (1979). 320с.) показано, что на плотность и свойства стеклоуглерода оказывает влияние температурная обработка. Плотность стенклоуглерода колеблется от 1.06 г/см3 до 1.55 г/см3 (марки стеклоуглерода: СУ-12, СУ-20, СУ-30, С-10, С-20, С-30, V10, V25). При этом в работах (C.L. Burket, R. Rajagopalan, A.P. Marencic, K. Dronvajjala, H.C. Foley. Carbon 44, 2957 (2006); [16] O.J.A. Schueller, S.T. Brittain, C. Marzolin, G.M. Whitesides. Chem. Mater. 9, 1399 (1997); B.A. Samuel, M.A. Haque, Y. Bo, R. Rajagopalan, H.C. Foley. Nanotechnology 18, 115704 (2007)) показано, что в процессе пиролиза можно управлять размерами пор структуры стеклоуглерода.In the work (A.S. Fialkov, Carbon-graphite materials. Energy, M. (1979). 320s.) It was shown that heat treatment affects the density and properties of glassy carbon. The density of wall carbon varies from 1.06 g / cm 3 to 1.55 g / cm 3 (grades of glass carbon: SU-12, SU-20, SU-30, S-10, S-20, S-30, V10, V25). Moreover, in the works (CL Burket, R. Rajagopalan, AP Marencic, K. Dronvajjala, HC Foley. Carbon 44, 2957 (2006); [16] OJA Schueller, ST Brittain, C. Marzolin, GM Whitesides. Chem. Mater. 9, 1399 (1997); BA Samuel, MA Haque, Y. Bo, R. Rajagopalan, HC Foley. Nanotechnology 18, 115704 (2007)) showed that during the pyrolysis, pore sizes of the glassy carbon structure can be controlled.
Известно допирование стеклоуглерода ионами калия, кальция, рубидия (см. H. Liang, X. Ma, Z. Yang, P. Wang, X. Zhang, Z. Ren, M. Xue, G. Chen. Carbon 99, - 585 - 2016). Найдено, что на сверхпроводящие свойства стеклоуглерода оказывает влияние не только концентрация ионов, но и температурная обработка материала. Установлено, что стеклоуглерод, допированный ионами калия и стеклоуглерод, допированный ионами кальция достигает сверхпроводящих свойств при одинаковом значении температуры перехода и одинаковом количестве ионов, но при разных температурных обработках. Для стеклоуглерода, допированного ионами кальция, необходимы большие температурные обработки, чем для стеклоуглерода, допированного ионами калия. При допировании стеклоуглерода ионами рубидия для достижения своерхпроводящих свойств необходимо больше ионов рубидия, чем при допировании калием или кальцием.It is known that glassy carbon is doped with potassium, calcium, and rubidium ions (see H. Liang, X. Ma, Z. Yang, P. Wang, X. Zhang, Z. Ren, M. Xue, G. Chen. Carbon 99, - 585 - 2016). It was found that the superconducting properties of glassy carbon are influenced not only by the concentration of ions, but also by the heat treatment of the material. It was found that glassy carbon doped with potassium ions and glassy carbon doped with calcium ions achieve superconducting properties at the same transition temperature and the same number of ions, but at different temperature treatments. For glassy carbon doped with calcium ions, greater heat treatments are required than for glassy carbon doped with potassium ions. When doping glassy carbon with rubidium ions, more rubidium ions are needed to achieve superconducting properties than when doping with potassium or calcium.
Также известно допирование атомами цезия одностенных углеродных нанотрубок, при этом допирование происходит по внешней поверхности стенки трубок, распределение атомов цезия по поверхности трубок может быть равномерным. В этом случае в окружении каждого атома углерода будет располагаться одинаковое количество атомов цезия.It is also known to dope cesium atoms of single-walled carbon nanotubes, while doping occurs on the outer surface of the wall of the tubes, the distribution of cesium atoms on the surface of the tubes can be uniform. In this case, the same number of cesium atoms will be located in the environment of each carbon atom.
Стеклоуглерод является пористой углеродной структурой с разным размером нанопор, которые в структуре распределены не равномерно, поэтому при допировании атомами цезия стеклоуглерода скопление атомов цезия может быть где-то больше, а где-то меньше. Это приводит к тому, что рядом с каждым атомом углерода в стеклоуглероде будет располагаться разное количество атомов цезия. Большая концентрация атомов углерода вокруг атома цезия в стеклоуглероде могла бы подавить влияние атомов цезия и не привести к изменению плотности электронного состояния стеклоуглерода. Чем меньше размеры пор в стеклоуглероде, тем меньше атомов цезия можно поместиться в нанопоры.Glassy carbon is a porous carbon structure with different sizes of nanopores, which are not uniformly distributed in the structure; therefore, when cesium atoms are doped with glassy carbon, the accumulation of cesium atoms can be somewhere larger, and somewhere smaller. This leads to the fact that next to each carbon atom in the glassy carbon will be a different number of cesium atoms. A large concentration of carbon atoms around a cesium atom in glassy carbon could suppress the effect of cesium atoms and not lead to a change in the density of the electronic state of glassy carbon. The smaller the pore sizes in glassy carbon, the fewer cesium atoms can fit into nanopores.
Такие разные распределения атомов цезия в одностенных углеродных нанотрубках и стеклоуглероде по разному влияют на значения работы выхода этих материалов.Such different distributions of cesium atoms in single-walled carbon nanotubes and glassy carbon have different effects on the work function of these materials.
Известно, что при взаимодействии атомов щелочных металлов и углеродных наноструктур наблюдается смещение электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома и возникает дипольный момент связи (Харрисон У. “Электронная структура и свойства твердых тел”– Москва: Мир, 1983.–381с.). При взаимодействии атома цезия с атомом углерода наблюдается перетекание электронного заряда от атома цезия к атомам углерода, что приводит к изменению дисперсионных кривых в зонной диаграмме и изменению в расположении уровня Ферми, а, следовательно, к изменению работы выхода углеродного материала.It is known that during the interaction of alkali metal atoms and carbon nanostructures, a shift in the electron density is observed towards a more electronegative atom and a dipole bond moment appears (Harrison U. “Electronic structure and properties of solids” - Moscow: Mir, 1983. – 381с.). During the interaction of a cesium atom with a carbon atom, an electron charge flows from a cesium atom to carbon atoms, which leads to a change in the dispersion curves in the band diagram and a change in the location of the Fermi level, and, consequently, to a change in the work function of the carbon material.
Таким образом, неизвестность использования стеклоуглерода, допированого атомами цезия и имеющего максимальный размер нанопор при фиксированной плотности для снижения работы выхода такого стеклоуглерода и, как следствие, для повышения его электронной проводимости позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом изобретении критерия «изобретательский уровень».Thus, the unknown use of glassy carbon doped with cesium atoms and having a maximum nanopore size at a fixed density to reduce the work function of such glassy carbon and, as a result, to increase its electronic conductivity, allows us to conclude that there is a criterion of "inventive step" in the claimed invention.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены:The invention is illustrated by drawings, which represent:
на фиг. 1 -структура стеклоуглерода с различными размерами нанопор:in FIG. 1 - the structure of glassy carbon with different sizes of nanopores:
a) размер пор от 0,4 нм до 0,8 нм; б) размер пор от 0,2 нм до 1,12 нм; в) размер пор от 0,7 нм до 1,3 нм;a) pore sizes from 0.4 nm to 0.8 nm; b) pore size from 0.2 nm to 1.12 nm; c) pore size from 0.7 nm to 1.3 nm;
на фиг. 2 представлены зонные диаграммы стеклоуглерода с разным размером нанопор: а) 0,4−0,8 нм; б) 0,2−1,12 нм; в) 0,7−1,3 нм;in FIG. 2 shows the band diagrams of glassy carbon with different sizes of nanopores: a) 0.4-0.8 nm; b) 0.2−1.12 nm; c) 0.7-1.3 nm;
на фиг. 3 – график изменения уровня Ферми в зависимости от концентрации атомов цезия;in FIG. 3 is a graph of the change in the Fermi level depending on the concentration of cesium atoms;
на фиг. 4 - зонная диаграмма стеклоуглерода с размером нанопор 0,7−1,3 нм и концентрацией атомов цезия 1,6%;in FIG. 4 is a band diagram of glassy carbon with a nanopore size of 0.7–1.3 nm and a cesium atom concentration of 1.6%;
на фиг. 5 - зонная диаграмма стеклоуглерода с размером нанопор 0,7−1,3 нм и концентрацией атомов цезия 4,0%.in FIG. 5 is a band diagram of glassy carbon with a nanopore size of 0.7–1.3 nm and a cesium atom concentration of 4.0%.
Для исследования эмиссионных свойств стеклоуглерода с плотностью 1,4 г/см3 в зависимости от размера нанопор были построены три атомистические модели пористых углеродных наноструктур: для первой модели размер нанопор составлял 0,4−0,8 нм; для второй — 0,2−1,12 нм; для третьей — 0,7−1,3 нм.To study the emission properties of glassy carbon with a density of 1.4 g / cm 3 depending on the nanopore size, three atomistic models of porous carbon nanostructures were constructed: for the first model, the nanopore size was 0.4–0.8 nm; for the second, 0.2–1.12 nm; for the third - 0.7-1.3 nm.
Для построения элементарной ячейки модели стеклоуглерода с размером пор от 0,4 нм до 0,8 нм в кубический объем размером 3 нм х 3 нм х 3 нм помещались хаотично расположенные атомы углерода.To construct a unit cell of a glassy carbon model with pore sizes from 0.4 nm to 0.8 nm, randomly spaced carbon atoms were placed in a cubic volume of 3 nm × 3 nm × 3 nm.
Для построения элементарной ячейки модели стеклоуглерода с размером пор от 0,2 нм до 1,12 нм в кубический объем размером 3 нм х 3 нм х 3 нм помещались хаотично расположенные графеновые чешуйки размерами 0,5 нм х 0,5 нм. Расположение чешуек осуществлялось с условием, чтобы расстояние между чешуйками было не менее 0,142 нм (длина химической связи между атомами углерода).To construct a unit cell of a glassy carbon model with pore sizes from 0.2 nm to 1.12 nm, randomly located graphene flakes 0.5 nm x 0.5 nm in size were placed in a cubic volume of 3 nm x 3 nm x 3 nm. The location of the flakes was carried out with the condition that the distance between the flakes was not less than 0.142 nm (the length of the chemical bond between carbon atoms).
Элементарная ячейка третьей модели стеклоуглерода с размером нанопор 0,7-1,3 нм была сформирована на основе фуллереноподобных частиц C296 и C600, замкнутой графеновой ленты и фрагмента углеродной нанотрубки.The unit cell of the third model of glassy carbon with a nanopore size of 0.7-1.3 nm was formed on the basis of fullerene-like particles C 296 and C 600 , closed graphene tape and a fragment of a carbon nanotube.
Для всех трех структур указывались периодические граничные условия. Процесс минимизации полной энергии структур осуществлялся с использованием молекулярно-механического метода на основе потенциала Бреннера. В процессе минимизации учитывалось перестроение химических связей между атомами углерода. При этом наблюдалось образование пористой структуры, что подтверждается наличием sp2 и sp3 гибридизации у пористых углеродных материалов.For all three structures, periodic boundary conditions were indicated. The process of minimizing the total energy of the structures was carried out using the molecular-mechanical method based on the Brenner potential. In the process of minimization, the rearrangement of chemical bonds between carbon atoms was taken into account. In this case, the formation of a porous structure was observed, which is confirmed by the presence of sp 2 and sp 3 hybridization in porous carbon materials.
Для обоснования снижения работы выхода стеклоуглерода посредством изменения размеров и допирования стеклоуглерода атомами цезия проводились расчет, построение и анализ диаграммы зонной структуры, а также определение положения уровня Ферми. Оценка уменьшения значения работы выхода чистого и допированного стеклоуглерода осуществлялась по величине сдвига уровня Ферми вверх относительно уровня Ферми не допированного стеклоуглерода.To justify a decrease in the work function of glassy carbon by resizing and doping glassy carbon with cesium atoms, we calculated, constructed, and analyzed the band structure diagram, as well as determined the position of the Fermi level. The decrease in the work function of pure and doped glassy carbon was estimated by the shift of the Fermi level upward relative to the Fermi level of undoped glassy carbon.
Расчет зонной структуры выполнялся с помощью метода функционала плотности. Высокие точки симметрии зоны Бриллюэна имеют координаты Г (0; 0; 0), R (π / a; π / a; π / a), Х (π / a; 0; 0), M (π / a; π / a; 0). Значение a соответствует длине вектора переноса. Поскольку элементарная ячейка рассматривалась как куб, вектора трансляции во всех направления равны по величине.The band structure was calculated using the density functional method. The coordinates of Г (0; 0; 0), R (π / a; π / a; π / a), X (π / a; 0; 0), M (π / a; π / a; 0). The value a corresponds to the length of the transport vector. Since the unit cell was considered as a cube, the translation vectors in all directions are equal in magnitude.
Установлено, что уровень Ферми стеклоуглерода с плотностью 1,4 г/см3 при разном размере нанопор имеет следующие значения: для нанопор 0,4−0,8 нм – -5,0717 эВ, для нанопор 0,2−1,12 нм ~ - 4,97 эВ, а для нанопор 0,7−1,3 нм – -4,8222 эВ. При увеличении размера нанопор уровень Ферми увеличивается. Следовательно, при увеличении размера нанопор наблюдается уменьшение значения работы выхода. Значения уровня Ферми согласуются с экспериментальными данными о работе выхода стеклообразного углерода (4,6 эВ в работе Sohda и соавторов [Y. Sohda, D.M. Tanenbaum, S.W. Turner, H.G. Craighead. J. Vac. Sci. Technol. B 15, 343 (1997)]).It was found that the Fermi level of glassy carbon with a density of 1.4 g / cm 3 at different sizes of nanopores has the following values: for nanopores 0.4–0.8 nm –5.0717 eV, for nanopores 0.2–1.12 nm ~ - 4.97 eV, and for nanopores 0.7-1.3 nm - -4.8222 eV. As the nanopore size increases, the Fermi level increases. Therefore, with an increase in the size of nanopores, a decrease in the value of the work function is observed. The values of the Fermi level are consistent with experimental data on the work function of glassy carbon (4.6 eV by Sohda et al. [Y. Sohda, DM Tanenbaum, SW Turner, HG Craighead. J. Vac. Sci. Technol. B 15, 343 (1997 )]).
На фиг. 2 представлены зонные структуры стеклоуглерода с разным размером нанопор. На зонной диаграмме значение уровня Ферми берется за нулевое значение. Результаты расчетов показывают (см. фиг. 2 в), что дисперсионные кривые пересекают уровень Ферми. Таким образом, можно утверждать, что чистый стеклоподобный материал обладает высокой электронной проводимостью [T. Rangel, D. Kecik, P. E. Trevisanutto, G.-M. Rignanese, H. Van Swygenhoven, V. Olevano Phys. Rev. B 86, 125125 (2012)]. Этот результат согласуется с экспериментальными данными [А. М. Молодец, А. А. Голышев, А. Н. Емельянов, Ю. М. Шульга, В. Е. Фортов. Письма в ЖЭТФ. 99, 263 (2014)].In FIG. Figure 2 shows the band structures of glassy carbon with different nanopore sizes. In the zone diagram, the Fermi level value is taken as the zero value. The calculation results show (see Fig. 2 c) that the dispersion curves intersect the Fermi level. Thus, it can be argued that a pure glass-like material has high electronic conductivity [T. Rangel, D. Kecik, P. E. Trevisanutto, G.-M. Rignanese, H. Van Swygenhoven, V. Olevano Phys. Rev. B 86, 125125 (2012)]. This result is consistent with experimental data [A. M. Molodets, A. A. Golyshev, A. N. Emelyanov, Yu. M. Shulga, V. E. Fortov. Letters to JETP. 99, 263 (2014)].
Моделирование допированного стеклоуглерода осуществлялось на модели стеклоуглерода с размером нанопор 0,2−1,12 нм путем помещения в нанопоры атомов цезия. После чего проводилась оптимизации геометрии элементарной ячейки, т.е. поиск равновесной конфигурации по координатам атомов методом функционала плотности. Исследование эмиссионных свойств допированного цезием стеклоуглерода осуществлялось при увеличении концентрации атомов цезия в элементарной ячейке стеклоуглерода.Doped glassy carbon was simulated using a glassy carbon model with a nanopore size of 0.2–1.12 nm by placing cesium atoms in the nanopores. After that, optimization of the unit cell geometry, i.e. search for an equilibrium configuration by atomic coordinates using the density functional method. The emission properties of cesium-doped glassy carbon were studied with an increase in the concentration of cesium atoms in the unit cell of glassy carbon.
Установлено, что уровень Ферми стеклоуглерода с плотностью 1,4 г/см3 при разном размере нанопор имеет следующие значения: для нанопор 0,4−0,8 нм и концентрацией атомов цезия 2% – - 4,94 эВ, для нанопор 0,2−1,12 нм и концентрацией атомов цезия 2,5% – ~ -4,85 эВ, а для нанопор 0,7−1,3 нм и концентрацией атомов цезия 4% – -4,36 эВ.It was found that the Fermi level of glassy carbon with a density of 1.4 g / cm 3 at different nanopore sizes has the following values: for nanopores 0.4–0.8 nm and a concentration of cesium atoms of 2% - - 4.94 eV, for
На фиг. 3 представлен график изменения уровня Ферми стеклоуглерода с размером нанопор 0,7−1,3 нм в зависимости от концентрации атомов цезия. Из графика видно, что при увеличении концентрации атомов цезия значение уровня Ферми увеличивается, следовательно, работа выхода уменьшается.In FIG. Figure 3 shows a graph of the Fermi level of glassy carbon with a nanopore size of 0.7–1.3 nm depending on the concentration of cesium atoms. The graph shows that with an increase in the concentration of cesium atoms, the value of the Fermi level increases, therefore, the work function decreases.
На фиг. 4 представлена зонная структура стеклоуглерода с размером нанопор 0,7−1,3 нм и концентрацией атомов цезия 1,6%. Из этой зонной структуры видно, что допированный цезием стеклоуглерод также обладают высокой электронной проводимостью.In FIG. Figure 4 shows the band structure of glassy carbon with a nanopore size of 0.7–1.3 nm and a cesium atom concentration of 1.6%. It can be seen from this band structure that cesium-doped glassy carbon also has high electronic conductivity.
Концентрация атомов цезия 4% (см. фиг. 5) определялась максимальным количеством атомов, которое может поместить в нанопоры размером 0,7-1,3 нм.The concentration of cesium atoms of 4% (see Fig. 5) was determined by the maximum number of atoms that can be placed in nanopores with a size of 0.7-1.3 nm.
Результаты прогностического моделирования показали, что уровень Ферми пористых углеродных наноструктур изменяется в сторону увеличения с увеличением пористости структуры, что свидетельствует об уменьшении работы выхода, т.к. уровень Ферми определяет работу выхода материала.The results of prognostic modeling showed that the Fermi level of porous carbon nanostructures changes upwards with increasing porosity of the structure, which indicates a decrease in the work function, because the Fermi level determines the work function of the material.
Показано, что при концентрации 1% атомами цезия стеклоуглерода уменьшение работы выхода наблюдается на 0,25 эВ в отличие от известных данных. В частности, известно (см. O. E. Glukhova, M. M. Slepchenkov. J. Phys. Chem. C. 120, 17753 -2016), что атомы калия при концентрации 1 % уменьшают работу выхода на 0,1 эВ.It was shown that at a concentration of 1% cesium atoms of glassy carbon, a decrease in the work function is observed by 0.25 eV, in contrast to the known data. In particular, it is known (see O. E. Glukhova, M. M. Slepchenkov. J. Phys. Chem. C. 120, 17753-2016) that potassium atoms at a concentration of 1% reduce the work function by 0.1 eV.
Таким образом, в заявляемом решении выявлены закономерности влияния концентрации атомов цезия на уровень Ферми стеклоуглерода. Установлено, что при увеличении концентрации атомов цезия наблюдается уменьшение работы выхода стеклоуглерода, что позволяет использовать заявляемый материал в мнгоострийных эмиссионных катодах для повышения их плотности тока.Thus, in the claimed solution, patterns of the concentration of cesium atoms on the Fermi level of glassy carbon are revealed. It was found that with an increase in the concentration of cesium atoms there is a decrease in the work function of glassy carbon, which allows the use of the inventive material in multi-pointed emission cathodes to increase their current density.
Атомы цезия являются более предпочтительным материалом для наибольшего снижения работы выхода стеклоуглерода.Cesium atoms are the preferred material for the greatest reduction in the work function of glassy carbon.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103509A RU2674752C1 (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018103509A RU2674752C1 (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674752C1 true RU2674752C1 (en) | 2018-12-13 |
Family
ID=64753153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018103509A RU2674752C1 (en) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674752C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5588893A (en) * | 1995-06-06 | 1996-12-31 | Kentucky Research And Investment Company Limited | Field emission cathode and methods in the production thereof |
| RU2399114C1 (en) * | 2009-07-20 | 2010-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ) | Method for manufacturing of multilayer field emitter |
| RU2526240C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method to manufacture field-emission cathode |
-
2018
- 2018-01-31 RU RU2018103509A patent/RU2674752C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5588893A (en) * | 1995-06-06 | 1996-12-31 | Kentucky Research And Investment Company Limited | Field emission cathode and methods in the production thereof |
| RU2399114C1 (en) * | 2009-07-20 | 2010-09-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ) | Method for manufacturing of multilayer field emitter |
| RU2526240C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method to manufacture field-emission cathode |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| БОБКОВ Е.В. И ДР. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВТОЭЛЕКТРОННЫХ ЭМИССИОННЫХ КАТОДАХ, ЖТФ, ВЫП.6, Т.71, 2001. * |
| КОЛЕСНИКОВА А.С. ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОРБЕНТОВ ОТ РАЗМЕРОВ НАНОПОР, ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА, ВЫП.7, Т.59, 2017. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Keidar | Factors affecting synthesis of single wall carbon nanotubes in arc discharge | |
| Yang et al. | Enhanced field emission from a carbon nanotube array coated with a hexagonal boron nitride thin film | |
| Ahadi et al. | Stable production of TiOx nanoparticles with narrow size distribution by reactive pulsed dc magnetron sputtering | |
| Semet et al. | Field emission behavior of vertically aligned ZnO nanowire planar cathodes | |
| Hazra et al. | Improved field emission from multiwall carbon nanotubes with nano-size defects produced by ultra-low energy ion bombardment | |
| Li et al. | Synthesis of Sn nanoparticle decorated graphene sheets for enhanced field emission properties | |
| Roslan et al. | Effect of magnetic field on carbon nanotubes and graphene structure synthesized at low pressure via arc discharge process | |
| Wang et al. | Formation and electron field emission of graphene films grown by hot filament chemical vapor deposition | |
| Huang et al. | Nanostructures of mixed-phase boron nitride via biased microwave plasma-assisted CVD | |
| Tripathi et al. | Field emission response from multi-walled carbon nanotubes grown on electrochemically engineered copper foil | |
| Li et al. | Controllable Ag nanoparticle coated ZnO nanorod arrays on an alloy substrate with enhanced field emission performance | |
| RU2674752C1 (en) | Material for the manufacture of a multi-pointed field-emission cathode | |
| Nakamoto et al. | Suitability of low-work-function titanium nitride coated transfer mold field-emitter arrays for harsh environment applications | |
| Maity et al. | Nickel oxide-1D/2D carbon nanostructure hybrid as efficient field emitters | |
| Uh et al. | Improved field emission properties from carbon nanotubes grown onto micron-sized arrayed silicon pillars with pyramidal bases | |
| Chang et al. | Pillar height dependence of field-emission properties in an array of carbon nanotube pillars | |
| He et al. | Influence of copper nanowires grown in a dielectric layer on the performance of dielectric barrier discharge | |
| Kim et al. | Transition of carbon nanotubes growth mode on NH3 plasma-modified Ni films at different plasma powers | |
| Bellucci et al. | Comparative field emission from vertically aligned few-layer graphene and carbon nanotubes | |
| RU2671361C1 (en) | Method of obtaining films of porous crystalline tin dioxide | |
| Dumpala et al. | Controlled synthesis and enhanced field emission characteristics of conical carbon nanotubular arrays | |
| Agarwal et al. | The fabrication of carbon-nanotube-coated electrodes and a field-emission-based luminescent device | |
| Hu et al. | Field electron emission from structure-controlled one-dimensional CuO arrays synthesized by wet chemical process | |
| Bernatskii et al. | Features of Field Desorption of Sodium and Cesium from the Surface of a Carbonized Rhenium Field Emitter | |
| Gupta et al. | Investigations on the plasma enabled growth of vertical graphene sheets on CNT surface |