Углеродная электроника
Научная работа группы.
|
|
|
|
Фотографии оборудования группы.
|
В группе ведутся работы по синтезу, экспериментальному и теоретическому
исследованию низкоразмерных форм углерода, отличных от ранее известных
(алмаза, графита, фуллеренов, нанотрубок) новым типом химических связей
между атомами углерода. Это - нанофазы углерода, устойчивые в наноразмерной
области: две формы линейно-цепочечного углерода - пленки и кристаллы,
различающиеся по структуре, и углерод с ГЦК-структурой. Материалы,
реализованные на их основе, обладают уникальными свойствами и находят
разнообразные применения в различных областях науки и техники.
Перспективы в области создания электроники нового поколения связываются
с именно углеродными материалами. Это объясняется уникальной возможностью
формировать из атомов углерода идеальные трехмерные (алмаз), двумерные (графен)
и одномерные (цепочечный углерод) структуры. Электрофизические свойства этих
углеродных форм охватывают диапазон от широкозонных диэлектриков до металлов
и одномерных (баллистических) проводников (двумерно упорядоченный линейно-цепочечный
углерод). Твердотельная электроника, работающая на принципах вакуумной
баллистической электроники, сохраняет в себе преимущества вакуумной электроники -
быстродействие и отсутствие шумов - и обеспечит возможность миниатюризации и
интеграции. Это позволяет реализовать идею С-троники - создание всей материальной
базы электроники на основе одного элемента - углерода.
По разработанной в группе технологии получен новый углеродный материал на основе sp1-связей
с исключительно высокими автоэмиссионными свойствами. Его эмиссионные характеристики
существенно выше чем у известных углеродных модификаций (нанографит, нанотрубки, аморфный алмаз и др.).
Это позволяет использовать sp1-углерод для создания широкого класса устройств
на основе полевой эмиссии электронов (гигантские плоские демонстрационные дисплеи,
высокоэффективные источники света, рентгеновские трубки и др).
На рис. 1 изображена атомная структура вышеперечисленных модификаций углерода.
|
|
Рис. 1
|
Несмотря на различный тип связей в этих материалах работа выхода у них практически одинакова (4-5 эВ).
Высокая работа выхода требует очень высокой напряженности электрического поля (более 10
7 В/см)
для реализации туннельного механизма эмиссии Фаулера-Нордгейма (рис. 2).
|
|
Рис. 2
|
Это ухудшает эксплуатационные характеристики эмиттеров (низкие плотности тока эмиссии,
крутизна вольт-амперной характеристики, срок службы и т.п.).
Принципиальное повышение эмиссионных свойств автоэлектронных эмиттеров возможно при использовании
новых материалов с низкой работой выхода для реализации фундаментально отличного
от туннельного механизма автоэлектронной эмиссии. Таким механизмом является усиленная
полем надбарьерная термоэмиссия (механизм Шоттки, рис. 3).
|
|
Рис. 3
|
Линейно-цепочечный углерод (sp
1-углерод) идеально подходит для создания высокоэффективного
автоэлектронного эмиттера, из-за особенностей электронной структуры одномерных систем.
На рис. 4 показана атомная структура линейно-цепочечного углерода.
|
|
Рис. 4
|
Она представляет собой
параллельно ориентированные цепочки углеродных атомов. Так как расстояние между цепочками
много больше длины связей между атомами в цепочке, электронные свойства sp
1-углерода
определяются электронной структурой отдельной цепочки. Из-за наличия на концах цепочки
оборванных связей внутри цепочки возникает электрическое поле достаточно высокой напряженности.
Наличие встроенного поля уменьшает эффективную работу выхода sp
1-углерода.
Как показали измерения, работа выхода sp
1-углерода составляет всего 0,4 эВ.
Такая низкая работа обеспечивает надбарьерную эмиссию по Шоттки,
которая характеризуется высокими параметрами (низким пороговым напряжением,
высокой крутизной вольт-амперной характеристики, высокой плотностью тока при низких рабочих напряжениях).
На рис. 5 и в таблице 1 приведены для сравнения вольт-амперные характеристики
и параметры эмиссии sp
1-углерода и известных углеродных материалов на основе
sp
2 и sp
3-связей.
|
|
Рис. 5
|
Табл. 1
|
Материал
|
Порог эмиссии, кВ/мм
|
Плотность тока, А/см2 (E, кВ/мм)
|
Крутизна I-V кривой, мА/см2*мм/кВ при I=4,5 мА/см2
|
|
Нанотрубки
|
3
|
2,2×10-3 (5,0)
|
3,6
|
|
Micrographite
|
2
|
13×10-3 (5,0)
|
5,6
|
|
A-diamond
|
6
|
0,3×10-3 (8,5)
|
2,5
|
|
sp1-carbon 2005
|
2
|
25×10-3 (3,3)
|
26
|
|
sp1-carbon 2006
|
0,5
|
25×10-3 (1,1)
|
43,5
|
Рис. 6 демонстрирует конструкция источника света на основе холодной эмиссии (слева)
и свечение такого источника и лампы накаливания при дневном освещении (справа).
Потребляемая электрическая мощность одинакова (4 Вт).
|
|
Рис. 6
|
