Способ нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки

Способ нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки

Реферат

Изобретение относится к области получения углеродных наноструктур, а именно массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках.

Углеродные наноматериалы имеют широкий спектр применения. Одно из важных направлений их практического использования - это создание автоэлектронных эмиттеров на основе массивов углеродных нанотрубок на токопроводящих подложках.

Известен способ нанесения углеродных нанотрубок на металлические подложки [Wu Z. Transparent conductive carbon nanotube films. Science, 2004, v. 305, p. 1273-1276] - аналог. Нанотрубки наносят на металлические подложки из растворов путем вакуумной фильтрации через мембрану с последующим удалением поверхностно-активных веществ. Основным недостатком аналога является сложность, которая обусловлена необходимостью изготовления наноструктурированных мембран и приготовления жидких растворов углеродных нанотрубок. Кроме того, следует отметить плохую воспроизводимость процесса, а также загрязнение массива углеродных нанотрубок поверхностно-активными веществами.

Известен способ нанесения углеродных нанотрубок на металлические подложки [Kaempgen М. Sonochemical optimization of the conductivity of single wall carbon nanotube networks. Adv. Mater., 2008, v. 20, p. 616-620]. Нанотрубки наносят на металлические подложки ультразвуковым распылением жидких растворов. Создание раствора на основе смеси углеродных нанотрубок и поверхностно-активных веществ для получения высококачественных пленок требует значительных усилий, поэтому сложность процесса является основным недостатком аналога. Следует отметить, что загрязнение углеродных нанотрубок поверхностно-активными веществами и веществом растворителя также нужно отнести к недостаткам процесса-аналога.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ нанесения углеродных нанотрубок на металлическую подложку (Патент RU 2471706, кл. С01В 31/02, 10.01.2013 г.), позволяющий осаждать упорядоченные массивы УНТ на подложки из электротехнических нелегированных сталей в атмосфере инертного газа. Изготавливаемые на этом устройстве структуры «подложка - массив УНТ» являются токопроводящими.

Однако эти структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров по причине плохого контакта металлическая подложка - углеродные нанотрубки и показывают плохие характеристики в части, касающейся срока службы и плотности тока. Заявленное устройство позволяет размещать подложки исключительно вблизи дуги, и для поиска оптимального расстояния для получения токопроводящих структур, пригодных для изготовления автоэлектронных эмиттеров, требуется специальное приспособление, позволяющее перемещать металлические подложки (изготовление катода с большим количеством отверстий для крепления подложек на разных расстояниях приводит к изменению потоков углеродсодержащего пара и отсутствию нанотрубок в слое сажи на металлических подложках).

Задачей предлагаемого способа является упрощение процесса нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки без примеси сажи и фуллеренов, что обеспечивало бы хороший контакт углеродных нанотрубок с металлической подложкой и получение структуры, пригодной для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

Эта задача решается в способе нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки, включающем осаждение углеродных нанотрубок на металлические подложки в дуговом реакторе в рабочей атмосфере на основе инертного газа, при этом металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 10d-12d от оси дугового разряда, где d - диаметр графитового стержня анода, а рабочей атмосферой является смесь, содержащая водород 8-10 об.% и гелий - остальное.

Сепарация нанотрубок от примесей (углеродных наночастиц, сажи и фуллеренов) основана на разном парциальном давлении углеродных наноматериалов в плазме дугового разряда в атмосфере гелия и, как следствие, на наличии градиента концентрации этих примесей в объеме, окружающем дуговой разряд. В атмосфере гелия на расстоянии 10d-12d от оси дугового разряда, где d - диаметр графитового стержня анода, на металлические подложки преимущественно конденсируются сажа, фуллерены и углеродные нанотрубки. Дальнейшие опыты показали, что получение массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках без примеси сажи и фуллеренов возможно при введении в атмосферу гелия 8-10% (об.) водорода.

Массивы углеродных нанотрубок на металлических подложках, полученные предложенным способом, являются токопроводящими и пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров, что подтверждается вольт-амперными характеристиками Фиг. 1, снятыми при комнатной температуре. На Фиг. 1 кривая 1 получена при повышении напряжения, кривая 2 - при понижении напряжения от 1000 В.

Примеры.

1. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводили в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 7% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

2. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 11% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

3. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток наблюдался. Полученные структуры пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

4. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 9,5d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

5. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 12,5d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

6. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 10d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток наблюдался. Полученные структуры пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.

Способ нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки для автоэлектронных эмиттеров, включающий осаждение углеродных нанотрубок на металлические подложки в дуговом реакторе в рабочей атмосфере на основе инертного газа, отличающийся тем, что металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 10d-12d от оси дугового разряда, где d - диаметр графитового стержня анода, а рабочей атмосферой является смесь, содержащая водород - 8-10 об.% и гелий - остальное.