Автоэлектронный источник зарядов на основе нанотрубок для низкотемпературных экспериментов.

Автоэлектронный источник зарядов на основе нанотрубок для
низкотемпературных экспериментов.
Д.Н. Борисенко1, A.I. Golov2, Н.Н.Колесников1, Ю.В. Котов1, А.А.Левченко1 , M. Fear2
ИФТТ РАН, Черноголовка, Московская область, 142432.
The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK
e-mail: [email protected]
Аннотация.
Обсуждаются способы приготовления автоэлектронных источников
зарядов на углеродных нанотрубках, которые можно было бы
использовать для изучения свойств
инжектированных зарядов в
криогенных жидкостях (площадь источника порядка нескольких мм2,
рассеиваемая мощность – менее 10-6 Вт). Первая серия источников была
приготовлена осаждением нанотрубок из дугового разряда на плоскую
медную подложку. Во второй источник электронов приготовляли
механическим втиранием нанотрубок в пористый металл. Как показали
испытания, автоэлектронные источники первого типа можно использовать
при комнатных температурах: в вакууме порядка 10-6 Тор при зазоре
плоский источник – коллектор в 1 мм коллекторный ток изменялся в
пределах от 10-12 до 10-8 А при напряжении на источнике U=150В - 1 кВ.
Однако при низких температурах в сверхтекучем He-II этот диод в том же
диапазоне напряжений оказался неработоспособным, коллекторный ток
был много меньше 10-12 А. Испытания источников второй серии в диоде
с зазором в 0.5 мм показали, что в сверхтекучем He-II ток отрицательных
зарядов на уровне 10-12А возникает при напряжении U= 140В, и затем ток
быстро возрастает с увеличением приложенного напряжения. При смене
знака приложенного напряжения при U ≥ 240В в диоде возникает
положительных зарядов. Этот источник мы использовали для наблюдения
движения отрицательных и положительных зарядов в образцах твердого
гелия при температурах до 75 мК.
Введение.
Строение и свойства инжектированных зарядов в жидком и твердом
гелии и водороде (отрицательно или положительно заряженных точечных
дефектов) исследуют много лет [1]. Кроме того заряды можно
использовать как пробные частицы для изучения свойств сверхтекучего
конденсированного гелия и водорода [2].
Для инжекции зарядов в объем конденсированного гелия
применяются несколько типов источников. Наиболее широкое
распространение в последнее время получили автоэлектронные источники
- тонкие металлические острия, которые обычно изготавливают
травлением вольфрамовых проволок [3]. При приложении отрицательного
напряжения к острию электроны туннелируют из металла в
конденсированный гелий. Величина прикладываемого напряжения U
составляет от одной до нескольких сотен вольт, а сила тока I – до 10-10А.
Применение металлического острия в качестве источника зарядов
позволяет инжектировать заряды в объем короткими импульсами во
избежание перегрева окружающего гелия.
С открытием углеродных нанотрубок появилась надежда, что удастся
получить надежный низкотемпературный источник зарядов нового типа,
так как трубки стабильны и не подвержены окислению, а диаметр торца
составляет величину порядка 1 нм, меньше, чем радиус металлического
острия [4]. В литературе описаны многочисленные попытки приготовить
низкотемпературные источники зарядов на основе нанотрубок (см.
например, работу [5] и литературу к ней). Нанотрубки одностенные или
многостенные с помощью серебряной пасты приклеивали к
вольфрамовому стержню, как серу к спичке. Подобные конструкции
использовали в качестве источников отрицательных и положительных
зарядов в конденсированных средах. Эмиссия зарядов наблюдалась при
приложении к металлическому стержню напряжения порядка 100В для
отрицательных зарядов и около 400В при изучении движения
положительных ионов.
Изготовление источников
В данной работе перед нами стояла конкретная задача - создание
стабильного плоского источника зарядов на основе нанотрубок для
исследования особенностей движения инжектированных зарядов в твердом
гелии при температурах ниже 0.5К. Наиболее удачными оказались два
способа изготовления источников.
В первом способе нанотрубки,
производимые электродуговым
методом, осаждались на медные подложки диаметром 10 мм [6].
Устройство для получения массивов углеродных трубок на металлических
подложках описано в [7]. Полированные подложки в количестве 3-5 штук
размешались на плоском графитовом катоде и закреплялись графитовыми
винтами так, что расстояние от центра катода до центра подложки
составляло 12-20 мм. Процесс осаждения проводили в атмосфере аргона,
продолжительность горения дуги варьировалась в интервале 5-30 с.
На рис.1. показаны две фотографии поверхности медной подложки,
покрытой продуктами, осажденными из газового разряда. Фотографии
были сделаны в сканирующем микроскопе. На левой фотографии хорошо
видно, что поверхность подложки покрыта неоднородно. При большем
увеличении, на правой фотографии, отчетливо просматриваются длинные
нанотрубки, свитые в клубки. В точках пересечения нанотрубок
просматриваются более крупные углеродные структуры. Иногда можно
было наблюдать углеродные луковицы различных размеров. Поверхность
источника, как видно на фотографии, не является идеально плоской.
Однако, как мы установили наблюдениями в оптическом микроскопе,
характерные значения высоты неоднородностей составляют несколько
мкм. Поскольку в экспериментах с твердым гелием расстояние источник
зарядов - коллектор должно было составлять 300 мкм, существование
подобных выступов на поверхности источника диаметром порядка см
несущественно.
Во втором способе однослойные углеродные нанотрубки, выращенные
электродуговым способом [1], наносилиcь на пористую поверхность диска из
нержавеющей стали (Fe – 57 %, Cr-20 %, Ni -11 %, C – 12 % ат.) диаметром
11 мм. Поверхность подложек предварительно покрывали тонким слоем
углеродной сажи, а затем сверху равномерно насыпали нанотрубки.
Получившуюся смесь втирали в пористую поверхность подложки
полированным торцом стального цилиндра, до тех пор, пока поверхность не
приобретала зеркальный блеск. Излишки сажи и нанотрубок в процессе
втирания удалялись с поверхности подложки. На рис.2. показаны две
фотографии поверхности источника зарядов, полученные в сканирующем
электронном микроскопе. На левой фотографии видны неоднородности
поверхности характерным размером в несколько мкм. При большем
увеличении (правая фотография) хорошо просматриваются длинные
углеродные нанотрубки. На этих трубках имеются утолщения, вероятно это
частицы сажи. Использование сажи, как показал опыт, улучшает
механический контакт нанотрубок с металлической поверхностью.
Вольтамперные характеристики источников зарядов
Вольт-амперные характеристики автоэлектронных источников зарядов
вначале изучали при комнатной температуре в вакууме, а затем проводили
измерения при низких температурах в сверхтекучем He-II. Металлический
диск источника зарядов приклеивали серебряной пастой к металлической
пластине, которая была установлена в корпусе измерительной ячейки,
изготовленной из текстолита. На высоте около 1 мм над поверхностью
источника располагали медный коллектор. Постоянное напряжение от
источника напряжения Stanford Research Systems, Model PS350/5000V-25W К
подключали к источнику через ограничительное сопротивление R≈1010 Ом.
Для измерений коллекторного тока использовали усилитель постоянного
тока Stanford Research Systems, Model SR 570. Ячейку с источником зарядов
и коллектором устанавливали либо в измерительной вакуумной камере, либо
в гелиевом криостате.
Первоначально вольт-амперные характеристики источников I(U)
измеряли при комнатной температуре в вакууме. Давление в камере
составляло 10-6 Тор. На рис.3. показана вольтамперная характеристика
источника, изготовленного первым способом осаждением
на
полированную медную подложку нанотрубок из газового разряда. Видно, что
при плавном
повышении приложенного напряжения отрицательной
полярности до 150В коллекторный ток возрастает скачком до ~ 0.5*10-12 A, и
далее с повышением напряжения до U≈ 300В ток быстро возрастает до 108
А (кривая 1). Затем к источнику скачком приложили отрицательное
напряжение величиной U = 1000В и исследовали, как уменьшается ток
эмиссии
источника при понижении напряжения. Оказалось, что
вольтамперная характеристика вакуумного диода изменилась кардинально
(кривая 2). При плавном понижении напряжения на кривых I(U) наблюдается
гистерезис, причем при напряжениях U<200B ток эмиссии на кривой 2
превосходит значение тока, которое наблюдали при повышении напряжения.
Что более существенно, было обнаружено, что при повторном повышении
напряжения U от 0 до 300 В вольт-амперная характеристика диода в
вакуумной камере при давлении в 10-6 Тор (кривая 1) не воспроизводится.
Как показали дальнейшие испытания, источники, которые
первоначально протестировали в вакуумной ячейке при комнатных
температурах, в сверхтекучем гелии не работали. Возможно это связано с
образованием переходных непроводящих (оксидных, например) слоев на
острых кромках нановолокон при длительных испытаниях в недостаточно
высоком вакууме в сильных электрических полях. Поэтому в дальнейшем
мы отказались от тестирования в вакууме и все тестовые измерения
проводили сразу в сверхтекучем гелии.
На рис.4 показана вольт-амперная характеристика диода, помещенного
в сверхтекучий гелий, охлажденный до 1.3К. К источнику приложено
отрицательное напряжение, так что от автоэлектронного источника к
коллектору движутся через жидкость отрицательные заряды – электроны,
локализованные в вакуумных пузырьках радиусом ~ 1.7 нм [1].) Расстояние
источник-коллектор в исследуемом диоде составляло 0.5 мм. Источник был
приготовлен осаждением нанотрубок из разряда на медную положку.
Заметная инжекция электронов, как видно из рис.4, первоначально
начиналась при напряжении около 140 В (кривая 1). После смены полярности
приложенного к источнику напряжения с отрицательной на положительную
ток положительных зарядов (ионов) наблюдается при повышении
напряжения до 240 В (кривая 2). Трехкратное термоциклирование в
интервале температур 4.2 – 300К в течение недели не привело к изменению
вольтамперной характеристики этого диода. Однако после 3-х недель
выдержки на воздухе при комнатной температуре вольтамперная
характеристика диода изменилась, заметный ток электронов на уровне 10-12А
наблюдался уже при напряжении 230В (кривая 3). В дальнейшем
характеристики диода не изменялись в течение двух месяцев.
На рис.5. показана вольтамперная характеристика диода с источником
зарядом, который был изготовлен втиранием углеродных нанотрубок с сажей
в пористую поверхность металлического диска. К источнику приложено
отрицательное напряжение. При напряжении U=270В значение
отрицательного тока составляло ~ 10-12А. Вольтамперная характеристика
оставалась стабильной в течение одного месяца. Чтобы убедиться, что
заряды идут не от одиночных трубок, а со всей поверхности, коллектор
разделили на две половины, и измерили вольтамперные характеристики
каждой из половинок. Оказалось, что в обеих половинах коллекторный ток
порядка 10-12А появляется при одном и том же напряжении на источнике и
одинаковым образом растет с повышением напряжения.
На рис.6 показана зависимость тока отрицательных зарядов от
напряжения в образце твердого гелия, выращенного методом
блокированного капилляра. Начальное давление в ячейке составляло 71 атм,
конечное давление в твердом гелии около 40 атм. Как видно из рисунка, ток
на уровне 10-12А наблюдается при напряжении около 230В. Это значение
близко к результатам измерений вольтамперных характеристик диода в
сверхтекучем гелии (см. рис. 4 и 5). Однако в образце твердого гелия с
повышением напряжения отрицательный ток растет гораздо медленнее, чем в
жидкости, что связано с различием механизмов движения заряженных
точечных дефектов в твердом и в жидком гелии [1]. На вставке в двойных
логарифмических координатах хорошо видно, что вольтамперная
зависимость при напряжениях выше 250В может быть описана степенной
функцией, I ~ Uпричем показатель степень близок к 7,5.
На вставке для сравнения прямой линией показана степенная
зависимость с показателем  равным 2, характерная для токов, ограниченных
объемным зарядом при условии, что плотность зарядов, излучаемых
источником достаточно велика по сравнению с плотностью тока, текущего
через диод, и подвижность зарядов не зависит от тянущего электрического
поля. Отметим, что нам удалось наблюдать также движение тока
положительных зарядов в образце твердого гелия при понижении
температуры образца до 75 мК.
Обсуждение результатов исследований
В наших экспериментах поверхность плоского автоэлектронного
источника - это слой из взаимно переплетающихся разупорядоченных
фуллереновых трубок. Плотность тока эмиссии определяется количеством и
структурой наиболее выступающих участков - торцов трубок [4]. Очевидно,
что полевая зависимость подобного автоэлектронного источника зарядов
сильно нелинейна, к тому же с ростом напряжения увеличивается число
нанотрубок, излучающих электроны. Более того, при некоторых значения
напряженности электрического поля эмиссия электронов происходит и с
боковой поверхности углеродных нанотрубок. По-видимому, все это
определяет наблюдавшуюся сильную полевую зависимость тока
отрицательных зарядов через диод с твердым гелием. Отметим также, что
скорость движения отрицательных зарядов в твердом 4Не в сильных
электрических полях возрастает по закону, близкому к экспоненциальному.
Кроме того наблюдаемую существенно более сильную зависимость I(U)
можно связать с присутствие в объеме образца большого количества
дефектов – ловушек зарядов.
Исследование механизмов движения зарядов в твердом гелии, роли их
взаимодействия с ловушками в сильно деформированных образцах при
низких температурах является предметом наших дальнейших исследований.
Заключение
Как показано в данной работе, воспользовавшись плоскими катодами
на основе углеродных нанотрубок можно довольно просто изготовить
автоэлектронные источники зарядов с малым выделением энергии в рабочем
режиме (менее 10-6 Вт при токе до 10-9А), которые пригодны для изучения
особенностей движения инжектированных зарядов в твердом гелии при
температурах ниже 0.5К.
Авторы благодарны А.В. Лохову за помощь в подготовке
эксперимента, а также Л.П. Межову-Деглину за полезные обсуждения.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 12-02-00581.
Литература
[1] S.C. Lau, A.J. Dahm, J.Low Temp. Phys. (1998) ,Vol. 112, No 1-2, pp. 47-71
[2] P.M. Walmsley · A.I. Golov · H.E. Hall ·W.F. Vinen · A.A. Levchenko, J Low
Temp Phys (2008) Vol. 153, pp. 127–139
[3] A. Golov and H. Ishimoto, J. Low Temp. Phys. (1998), Vol. 113, Nos. 5/6,
pp. 957-962
[4] А.В. Елецкий, УФН, (2010), 180, №9, сс. 897-930
[5] K.Kawasaki, K.Kazuhito, K. Kono, J. Low Temp. Phys. (2005), Vol. 138, No
3/4, pp. 899-903
[6]. D. N. Borisenko, N. N. Kolesnikov, M. P. Kulakov, V. V. Kveder. Int. J. of
Nanoscience, (2002), Vol. 1, No 3-4, pp. 235-246
[7]. Н.Н.Колесников, Д.Н. Борисенко, А.А. Левченко, Устройство для
получения массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках.
Патент РФ № 2471706, 2013.
Подписи к рисункам к статье Борисенко Д.Н. и др. «Автоэлектронный
источник зарядов на основе нанотрубок для низкотемпературных
экспериментов»
Рис.1. Фотография поверхности медной подложки, покрытой углеродными
структурами, полученная на сканирующем электронном микроскопе. На
фотографии справа увеличение в десять раз выше, чем на фотографии слева.
Рис.2. Фотография поверхности пористой нержавеющей подложки, покрытой
углеродными структурами, полученная на сканирующем электронном
микроскопе. На фотографии справа увеличение в три раз выше, чем на
фотографии слева.
Рис.3. Вольтамперная зависимость отрицательного тока через вакуумный
диод при кмнатной температуре. Кривая 1 получена при повышении
напряжения, кривая 2 – при понижении напряжения от 1000В.
Рис.4. Зависимость тока через диод
от приложенного к источнику
напряжения разной полярности в сверхтекучем гелии He-II при температуре
1.3К. Кривая 1, кружки – отрицательных заряды; кривая 2, квадраты –
положительные заряды (положительно заряженные снежные шарики
радиусом порядка 0.7 нм). Кривая 3 - треугольники – ток отрицательных
зарядов через три недели после выдержки на воздухе.
Рис. 5. Зависимость тока отрицательных зарядов в сверхтекучем гелии в
зависимости от приложенного к источнику напряжения. Температура He-II
равна 1.6К.
Рис. 6. Полевые зависимости тока отрицательных зарядов (темные кружки) в
образце твердого гелия, выращенном методом блокированного капилляра
при начальном давлении 71 атм. Температура измерений 1.6К. На вставке
представлены те же результаты в двойном логарифмическом масштабе.
Прямая линия соответствует квадратичной зависимости тока от напряжения.
Рисунки к статье Борисенко Д.Н. и др. «Автоэлектронный источник
зарядов на основе нанотрубок для низкотемпературных экспериментов»
10000
А
100
Ток, 10
-12
2
1
1000
10
1
0,1
0
200
400
600
800
1000
Напряжение, В
Рис.3.
10000
-12
Ток 10 , А
1000
1
100
2
3
10
1
100
120
140
160
180
200
Напряжение, В
Рис.4.
220
240 260 280 300
1000
-12
Ток, 10 , А
100
10
1
200
250
300
350
400
Напряжение, В
Рис.5.
1E-9
1E-9
1E-11
1E-10
Ток, А
Ток, А
1E-10
1E-11
1E-12
1E-12
100
200
300
400
500
600
700
Напряжение, В
100
200
300
400
500
Напряжение, В
Рис.6.
600
700