Введение к работе
Актуальность.
Одним из наиболее актуальных направлений развития современной науки и техники является изучение наноматериалов и развитие нанотехнологий Среди различных наноматериалов особое место занимают наноструктурированные формы углерода, такие как фуллерены, углеродные нанотрубки и другие образования с графитоподобной атомной структурой В данной работе представлены результаты экспериментального исследования наноразмерных кристаллитов графита (нанографита), получаемых в виде пленок в ходе газофазного плазмо-химического осаждения Аналогично нанотрубкам наноразмерные кристаллиты графита имеют сильную анизотропию, что делает возможным их применение в качестве эффективных полевых катодов В то же время хороший контакт нанокристашштов с подложкой делает нанографитные пленки более устойчивыми к воздействию электрического поля большой напряженности, температуры и других факторов, что является важным обстоятельством при разработке устройств с наноуглеродными катодами
Наряду с сильной анизотропией нанокристаллитов графита, определяющей эффективность эмиссии электронов, нанографитные пленки проявляют свойства, которые свидетельствуют о наличии качественных отличий этого наноструктурированного материала от обычного графита Анал6гичныг?отличия наблюдаются также в эмиттерах на основе углеродных нанотрубок Кроме этого в нанографитных пленках был обнаружен необычный эффект оптического выпрямления [1], который может быть обусловлен наличием оптической нелинейности и специфического поведения электронов в наноразмерных структурах
Указанные свойства и эффекты представляют большой интерес с научной и практической точек зрения, однако, до настоящего времени они были исследованы в недостаточной степени Ответственные за их появление механизмы пока не выяснены Данное обстоятельство требует дальнейшего экспериметального и теоретического исследования в данной области, что определяет постановку целей и задач данного исследования При этом важной особенностью данной работы является проведение исследования нанографитных пленок в сравнении с различными углеродными нанотрубками для выявления возможных общих и специфических закономерностей для этих материалов
Цель работы: Экспериментальное исследование электронно-эмиссионных свойств, в том числе, под действием лазерного излучения нано- и фемто- секундной длительности, различных наноуглеродных материалов (нанографита, одностенных и двустенных углеродных нанотрубок, углеродных стручков, заполненных молекулами Сбо или С70) Исследование и интерпретация эффекта оптического вьшрямления в наноструктурированных пленках графита и материалах на основе углеродных нанотрубок
В работе решались следующие задачи:
Разработка новых и модернизация имеющихся установок для измерения автоэлектронной эмиссии
Разработка методик точного определения пороговых полей автоэмиссионных катодов
Сравнение параметров автоэлектронной эмиссии из различных наноструктурированных углеродных материалов
Разработка и создание программно-аппаратного комплекса для изучения электронной эмиссии под действием лазерного излучения
Изучение электронной эмиссии под действием лазерного излучения различной длительности
Изучение эффекта генерации электрического отклика в нанографитных пленках и в волокнах из углеродных нанотрубок под действием интенсивного лазерного излучения
Научная новизна
В работе впервые было проведено сравнительное исследование эмиссионных свойств нанографитных пленок и различных углеродных материалов в одинаковых экспериментальных условиях Впервые (на момент исследования) было проведено изучение автоэлектронной эмиссии из наноуглеродных стручков и двустенных нанотрубок
Впервые обнаружено появление эмиссии электронов в нанографите под действием наносекундных и фемтосекундных лазерных импульсов при электрических полях, значительно ниже лороговых Предложены механизмы, объясняющие данный эффект термоэлектронной эмиссией при наносекундной длительности лазерных импульсов, и эмиссией горячих электронов из холодного катода при фемтосекундной длительности лазерных импульсов Проведено исследование эффекта оптического вьшрямления при облучении нанографитных пленок лазерными импульсами в широком диапазоне длин
волн (от 266 до 5000 нм) Впервые эффект оптического вьшрямления обнаружен для материала на основе углеродных нанотрубок Полученные экспериментальные данные интерпретированы в терминах генерации статической квадрупольной поляризации в нелинейной оптической среде
Практическая ценность
При сравнительном исследовании автоэлектронной эмиссии из различных наноуглеродных материалов в одинаковых условиях выявлены параметры, оказывающие влияние на процесс эмиссии, знание которых необходимо для оптимизации процессов формирования эмиттеров электронов, и увеличения их эффективности Показана возможность создания высокоинтенсивных (с плотностью тока до 10 А/см2) сверхкоротких (фемтосекундной длительности) импульсных электронных пучков с помощью нанографитных катодов
Показана возможность создания высокоскоростных детекторов формы импульсов лазерного излучения, работающих с высокой эффективностью в широком спектральном диапазоне
Основные положения, выносимые на защиту
Наименьшими порогами автоэлектронной эмиссии обладают катоды на основе углеродных нанотрубок с минимальным радиусом
Облучение нанографитных пленок наносекундными лазерными импульсами приводит к появлению электронной эмиссии при напряженностях электрического поля ниже порогового для автоэлектронной эмиссии
Облучение нанографитных пленок фемтосекундным лазерным излучением позволяет получить интенсивную электронную эмиссию при электрических полях, значительно ниже пороговых для автоэлектронной эмиссии
Эффект оптического вьшрямления проявляется в нанографитных пленках при их облучении наносекундными импульсами лазерного излучения в широком диапазоне длин волн от 266 до 5000 нм
Личный вклад диссертанта
Диссертант лично провел экспериментальные исследования электронной эмиссии из различньк углеродных материалов, в том числе, под действием лазерного излучения, в различных временных диапазонах, исследование эффекта нелинейного вьшрямления в нанографите и в материалах на основе углеродных нанотрубок в инфракрасном диапазоне
Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя
Апробация работы
Основные результаты докладывались на следующих международных конференциях
International Topical Meeting on Field Electron Emission From Carbon Matenals, 2-4 July, 2001, Moscow, Russia
1-st International conference "Carbon fundamental problems of science, matenals, technologies", 17-19 October 2002, Moscow, Russia
15th International Vacuum Microelectronics Conference & 48th International Field Emission Symposium, 7-11 July, 2002, Lyon, France
2002 IEEE International Vacuum Electron Sources Conference, 15-19 July, 2002, Saratov, Russia
Nano and Giga Challenges m Microelectronics research and Opportunities m Russia, Symposium and Summer School, 10-13 September, 2002, Moscow, Russia
13th European Conference on Diamond, Diamond-Like Matenals, Carbon Nanotubes, Nitndes and Silicon Carbide, 8-13 September 2002, Granada, Spam
European Congress and Exhibition on Advanced Matenals and Processes, 1-5 September 2003, Lausanne, Switzerland
14th European Conference on Diamond, Diamond-Like Matenals, Carbon Nanotubes, Nitndes and Silicon Carbide, 7-12 September 2002, Saltsburg, Austna
XTXth Int Wmterschool I Euroconference on Electronic Properties of Novel Matenals and Molecular Nanostructures, 12-19 March, 2005, Kirchberg, Austna
2nd Photonics and Laser Symposium (PALS 2005), 23-25 February 2005, Kajaani, Finland
6th International Conference on the Science and Applications of nanotubes, 26 June - 1, July 2005, Gothenburg, Sweden
International Quantum Electronics Conference and Conference of Electro-optics Pacific Rim, 11-15 July 2005, Tokyo, Japan
Quantum Electronics and Laser Science Conference, 22-27 May 2005, Baltimore, USA
Interbnational Conference on the Coherent and Nonlinear Optics ICONO/LAT 2005, 11-15 May 2005, St Peterburg, Russia
XXth bit Wmterschool I Euroconference on Electromc Properties of Novel Materials molecular nanostructures, 04 -11 March 2006, Kirchberg, Austna
XXIst International Wmterschool I Euroconference on Electronic Properties of Novel Materials molecular nanostructures, 10-17 March 2007, Kirchberg, Austna
Публикации
По основным результатам работы опубликовано 11 статей в реферируемых журналах, в том числе из списка ВАК Список публикаций приведен в конце автореферата
Структура и объем работы
