Лазерный мир

Герасименко А.Ю., Куксин А.В., Кицюк Е.П., Шаман Ю.П., Савельев М.С.,Глухова О.Е. /// Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества. Материалы докладов IX Международной конференции с элементами научной школы для молодежи. Суздаль, 2022. С. 145-146.

Предложена технология формирования гибридных углеродных наноструктур из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) и восстановленного оксида графена (ВГО) лазерным излучением. Молекулярно-динамическое моделирование позволило выявить механизм формирования центров электронной автоэмиссии из слоях углеродных наноструктур. Установлено, что лазерное излучение стимулирует формирование ковалентных контактов графен-нанотрубка, а также индуцирует дипольный момент гибридных наноструктур, что обеспечивает их ориентацию по силовым линиям поля излучения. Определены основные механические и эмиссионные характеристики формируемых гибридных наноструктур. Лазерное воздействие увеличило твёрдость всех образцов более чем в два раза. Максимальная твёрдость получена для гибридной наноструктуры с буферным слоем из графена и основным слоем из ОУНТ и составила 54,4 ГПа. Так же увеличена адгезия графена к подложке и транспорт электронов между подложкой и гибридной наноструктурой. Катод из такой наноструктуры показал плотность тока электронной автоэмиссии ~0,5 А/см2 и стабильность в течение 9 часов при токе 1 мА. Технология создания гибридных наноструктур на основе лазерной сварки углеродных наноматериалов между собой и с подложкой может быть использована как для создания автоэмиссионных катодов, так и в иных приложениях, где требуются покрытие из наноматериалов с хорошей адгезией, прочностью и электропроводностью.

Предложена технология формирования гибридных наноструктур из углеродных наноматериалов на Si подложках. Наноструктуры были сформированы в результате воздействия импульсного лазерного излучения с длиной волны 1064 нм на spray deposition слои гомогенных жидких дисперсий одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), восстановленного оксида графена и ОУНТ+графен. С помощью молекулярно-динамического моделирования с применением метода зависящей от времени теории функционала плотности (TD-DFTB) установлено, что лазерное излучение способствует перестроению структуры ОУНТ и графеновых чешуек и обеспечивает формирование из них гибридных наноструктур с образованием не гексогональных элементов графеновой структуры. In silico выяснено, что в результате перераспределения плотности электронного заряда гибридная структура из ОУНТ и графеновой чешуйки располагается в соответствии с ориентацией вектора дипольного момента по силовым линиям поля лазерного излучения. С помощью сканирующей электронной микроскопии подтверждён эффект изменения ориентации ОУНТ и гибридов ОУНТ/графен под углом относительно Si подложки при воздействии импульсного лазерного излучения с плотностью энергии 0,5 Дж/см2. Установлено, что гибриды ОУНТ/графен обладают меньшей твердостью и адгезией к Si подложке по сравнению со слоем на основе графена, а также обеспечивают низкую электронную автоэмиссию из-за недостаточной однородности и плотности населения центров эмиссии по сравнению с ОУНТ. Поэтому были предложены гибриды наноструктуры с буферным слоем из графена и основным слоем из ОУНТ, которые формировались в два этапа. На первом этапе формировался буферный слой из графена с помощью лазерного воздействия (0,8 Дж/см2), на втором этапе формировался основной слой из ОУНТ (0,5 Дж/см2) (БС_графен/ОУНТ). Нанотрубки одним концом лазером приваривались к графену и ориентировались под углом к подложке с буферным слоем. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света выяснены значения плотности энергии лазерного излучения, обеспечивающие увеличение дефектности для слоев из ОУНТ и ОУНТ/графен, а также уменьшение дефектности для слоя из графена и умеренное увеличение дефектности для слоя из гибридов БС_графен/ОУНТ. Лазерное воздействие позволило получить увеличение твёрдости более чем в 2,3 раза для всех слоев из углеродных наноматериалов и их гибридов. Максимальная твёрдость получена для БС_графен/ОУНТ – 54,4 ГПа. Также лазерное воздействие позволило увеличить степень адгезии к Si подложке слоёв на основе графена. Это позволило улучшить транспорт электронов в вертикальном направлении от Si подложки через БС_графен/ОУНТ к аноду. Получена зависимость силы тока field emission от напряжения для БС_графен/ОУНТ со стабильным эмиссионным током при напряжении 140 В. Предложенна конструкция катода круглой формы площадью ~1 мм2 из слоя БС_графен/ОУНТ, которая обеспечила стабильную электронную автоэмиссию в течение 540 минут при токе 1 мА по сравнению с аналогичным катодом только из слоя на основе ОУНТ. Достигнутая плотность тока для катода на основе БС_графен/ОУНТ была в более чем в 2,5 раза выше чем для катода из ОУНТ и составила 562 мА/см2. Предложенная технология создания гибридов из ОУНТ и графена имеет большой потенциал для разработки эмиссионных катодов для электронных устройств, например рентгеновских трубок, автоэмиссионных дисплеев, вакуумных СВЧ приборов и др. А также принцип формирования наноструктур из углеродных наноматериалов может использоваться в иных приложениях, где требуются покрытие из наноматериалов с хорошей адгезией, прочностью и электропроводностью, в том числе для биоэлектроники и биомедицины.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение №075-03-2020-216 от 27.12.2019 г.), а также проекта РНФ № 21-19-00226.