اثر نشر ميداني الکتروني در فيلم نانولوله‌هاي کربني

چکـيده:
در اين گزارش، به‌طور خلاصه ويژگي‌هاي يک فيلم نانولوله کربني ناشر الکترون بررسي شده و با توجه به نتايج تئوري در نشرميداني فلزات و نتايج تجربي به دست آمده براي نانولوله‌هاي کربني در مقالات و گزارش‌هاي اخير، عناصر مؤثر در يک فيلم مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در انتها خصوصيات يک فيلم نانولوله‌اي بهينه براي کاربرد در صنعت ارائه مي‌شود

ا. تئوري مسئله
اثر نشر ميداني الکترون‌ها از سطح يک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات مي‌شود، عبارت است از تونل‌زني الکترون از سطح فرمي فلز به درون ناحيه ديگر که معمولاً خلاء است. اين يک پديده کاملاً کوانتومي است و الکترون‌ها از حالات محدود شده فلزي با غلبه بر يک سد پتانسيلي در فصل مشترک فلز با محيط اطرافش، به يک ذره آزاد تغييرحالت مي‌دهند.
اين اثر همان‌طور که از اسمش پيداست در اثر بر همکنش ميدان الکتريکي با فلز، روي مي‌دهد پس در زمره کوانتوم الکترو ديناميک بررسي مي‌شود. تقريب‌هاي نظري در مورد يک جريان نشري الکتروني از يک فلز، به‌طور معمول در يک مدل نيمه کلاسيک صورت مي‌پذيرد، که به نظريه فـولر- ناردهيم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)
ميدان اطراف الکترود فلزي تخت به‌صورت تابعي از فاصله و پتانسيل الکتريکي به‌صورت زيرتعريف مي‌شود.
 

اما وقتي از شيء سوزني شکلي استفاده مي‌کنيم، ميدان در اطراف نوک تيز آن شديدتر است، پس ميدان به شعاع انحناي نوک آن بستگي دارد و رابطه 1 با يک ضريب تشديد ميداني که با شعاع رابطه عکس و با نسبت هندسي ( نسبت ارتفاع به سطح مقطع)، رابطه خطي دارد و نيز به‌طور معکوس با فاصله ‌اندکي تغيير مي‌کند، به‌ صورت زير تصحيح مي‌شود:
 

چگالي جريان الکترون‌هاي نشر شده به واسطه ميدان از سطح يک فلز سوزني شکل با تابع کار (تابع کار از ويژگي‌هاي ذاتي عنصر است) به وسيه رابطه فـولر- ناردهيم به‌صورت زير داده شده است:
 

که A وB ضرايب ثابت هستند [7] .
2. اثر نشر ميداني در فيلم‌هاي نانولوله کربني
نمود وضعيت ظاهري نانولوله‌هاي کربني، يعني نسبت طول به سطح مقطع آن و نيز شعاع کوچک انحناي نوک، آنها را بسيار شبيه به سوزن فلزي باريک مورد بحث در بالا مي‌کند و بررسي‌هاي قبل را موجه مي‌سازد. اهميت بررسي نشر الکترون از نانولوله‌هاي کربني به علت کاربرد‌هاي وسيع آن در صنعت پانل‌هاي نمايشي به عنوان تفنگ الکتروني، ارتقاي فناوري ميکروسکوپ‌هاي الکتروني به عنوان نوک در ميکروسکوپ‌هايAFM و حکاکي در سطوح نانو است. مطالعات منتشرشده از سال1995 نشان مي‌دهد [2,3,4] که نشرميداني براي تمامي انواع ساختار نانولوله‌هاي کربني (Armchair,Zigzag,Chiral) به‌طور عالي برقرار است و نشان دهنده استقلال اين اثر از نوع ساختار آنهاست.

اما همين مطالعات، تک ديواره (SWNTs) بودن يا چند ديواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملي مؤثر مورد بررسي قرار داده‌اند [5].
به‌طور کلي عوامل مؤثر در نشر ميداني نانولوله‌هاي کربني به دو دسته تقسيم مي‌شود؛ اول، ساختار ذاتي و ويژگي‌هاي شيميايي منحصر به فرد نانولوله‌ها که به قطر و رفتار سطحي آنها و نيز باز و بسته بودن انتهاي آنها برمي‌گردد. دوم، چگالي و نيز نوع جهت‌گيري آنها بر روي سطح فيلمي که رشد داده شده‌اند. اين زيرلايه مي‌تواند با توجه به نوع کاربرد، سيليکون و طلا و. . . باشد. بررسي روي نمونه‌هاي فراوان نشان مي‌دهد که در فيلم‌هايي که چگالي نانولوله‌ها روي آنها متوسط و نرمال است، نشر الکتروني در ميدان آستانه کمتري صورت مي‌گيرد[6]. شکل (3) به‌خوبي نشان مي‌دهد که فيلم با چگالي متوسط، نشر يکنواخت و واضحي را نشان مي‌دهد که در آن، خطوط، پل‌ها و نقاط بر روي فيلم ساخته شده قابل تمايز هستند

 اين نتايج اثبات‌کننده نقش مهم چگالي فيلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقويت ميداني يک نشرکننده الکتروني که جريان نشرشده را براي يک ميدان الکتريکي تعيين مي‌کند، تنها به هندسه نشرکننده يعني شعاع انحناي نوک و ارتفاع نانولوله‌ها از زيرلايه بستگي دارد. اما وجود يک چگالي بهينه نانولوله‌اي روي فيلم که در چگالي‌هاي متوسط روي مي‌دهد نشان دهنده فاصله‌اي بهينه بين نانولوله‌هاي ناشر الکتروني است که ما را به الگوي پخش نانولوله‌ها روي زيرلايه‌ها براي کارايي بهتر راهنمايي مي‌کند. اين فاصله تقريباً يک تا دو برابر ارتفاع نانولوله‌هاي کاربردي است که امروزه موضوع تحقيقاتي مهمي براي شرکت‌هاي توليد کننده پانل‌هاي نمايشي (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبيه‌سازي شده اين مسئله را مي‌توان ديد و به مقايسه آنها پرداخت.

اما عاملي که روي کاربرد آنها تأثير بسزايي دارد، ثابت باقي ماندن اين يکنواختي و شدت نشر الکتروني در طول زمان است که روي طول عمر فيلم‌ها- در مقياس تجاري- مؤثر است. با مقايسه فيلم‌هاي ساخته شده از نانولوله‌هاي تک ديواره و چند ديواره و آزمايش در شرايط يکسان، اين نتيجه حاصل شده است که افت در نشرالکتروني در فيلم‌هاي تک ديواره ده برابر سريع‌تر از فيلم چند ديواره رخ مي‌دهد. [5] اين پديده را شايد بتوان به حساسيت نانولوله‌هاي تک ديواره نسبت به بمباران يوني و پرتويي نسبت داد که چند ديواره بودن، اين ضعف را با پوشش ديوارهاي ديگر حذف مي‌کند و نمي‌گذارد که تعادل ساختاري از بين برود. با توجه به توضيحات داده شده بهترين فيلم نانولوله‌اي، فيلمي است با چگالي متوسطي از نانولوله‌هاي چند ديواره با انتهاي بسته که به‌طور يکنواخت روي زيرلايه‌اي توزيع شده‌اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتريکي، نشر يکنواختي را ايجاد کنند که آخري در صرفه‌جويي انرژي مؤثر است.

در شکل (5)، طرح ساده اي از يک نمايشگر نانوتيوپي نشان داده شده است(5) ، نانولوله کربني که انتهاي آن بر روي يک زيرلايه سيليکوني قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتريکي تحريک ميشود تا به گسيل الکتروني بپردازد دقيقا همان کاري را که تفنگ الکتروني در نمايشگرهاي عادي انجام ميدهد. الکترونهاي منتشر شده در فاصله بين لايه فسفري و نانولوله شتاب داده مي شوند تا در هنگام جذب بتوانند اين لايه را برانگيخته کنند تا در انتها با ايجاد نورهاي رنگي که ما برروي نمايشگر مي بينيم کار به پايان برسد .
3. نتيجه
پارامترهاي موثر در ساختمان يک فيلم نانو لوله اي گسيل ميداني غالبا از نوع هندسي هستند و ما با کنترل شرايط فيزيکي محيط در هنگام رشد نانولوله ها برروي زيرلايه
مي توانيم کيفيت کاربردي و تجاري آن را بهبود ببخشيم .