برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

اثر نشر میدانی الکترونی در فیلم نانولوله‌های کربنی





 

چکـیده:
در این گزارش، به‌طور خلاصه ویژگی‌های یک فیلم نانولوله کربنی ناشر الکترون بررسی شده و با توجه به نتایج تئوری در نشرمیدانی فلزات و نتایج تجربی به دست آمده برای نانولوله‌های کربنی در مقالات و گزارش‌های اخیر، عناصر مؤثر در یک فیلم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در انتها خصوصیات یک فیلم نانولوله‌ای بهینه برای کاربرد در صنعت ارائه می‌شود

شکل 1. نمایش شماتیک غلبه الکترون‌های نزدیک سطح فرمی بر سد انرژی

ا. تئوری مسئله
اثر نشر میدانی الکترون‌ها از سطح یک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات می‌شود، عبارت است از تونل‌زنی الکترون از سطح فرمی فلز به درون ناحیه دیگر که معمولاً خلاء است. این یک پدیده کاملاً کوانتومی است و الکترون‌ها از حالات محدود شده فلزی با غلبه بر یک سد پتانسیلی در فصل مشترک فلز با محیط اطرافش، به یک ذره آزاد تغییرحالت می‌دهند.
این اثر همان‌طور که از اسمش پیداست در اثر بر همکنش میدان الکتریکی با فلز، روی می‌دهد پس در زمره کوانتوم الکترو دینامیک بررسی می‌شود. تقریب‌های نظری در مورد یک جریان نشری الکترونی از یک فلز، به‌طور معمول در یک مدل نیمه کلاسیک صورت می‌پذیرد، که به نظریه فـولر- ناردهیم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)
میدان اطراف الکترود فلزی تخت به‌صورت تابعی از فاصله و پتانسیل الکتریکی به‌صورت زیرتعریف می‌شود.
 

شکل 2. انتشار الکترون‌ها از یک شی نوک تیز فلزی که در ولتاژ V قرار دارد

اما وقتی از شیء سوزنی شکلی استفاده می‌کنیم، میدان در اطراف نوک تیز آن شدیدتر است، پس میدان به شعاع انحنای نوک آن بستگی دارد و رابطه 1 با یک ضریب تشدید میدانی که با شعاع رابطه عکس و با نسبت هندسی ( نسبت ارتفاع به سطح مقطع)، رابطه خطی دارد و نیز به‌طور معکوس با فاصله ‌اندکی تغییر می‌کند، به‌ صورت زیر تصحیح می‌شود:
 

چگالی جریان الکترون‌های نشر شده به واسطه میدان از سطح یک فلز سوزنی شکل با تابع کار (تابع کار از ویژگی‌های ذاتی عنصر است) به وسیه رابطه فـولر- ناردهیم به‌صورت زیر داده شده است:
 

که A وB ضرایب ثابت هستند [7] .
2. اثر نشر میدانی در فیلم‌های نانولوله کربنی
نمود وضعیت ظاهری نانولوله‌های کربنی، یعنی نسبت طول به سطح مقطع آن و نیز شعاع کوچک انحنای نوک، آنها را بسیار شبیه به سوزن فلزی باریک مورد بحث در بالا می‌کند و بررسی‌های قبل را موجه می‌سازد. اهمیت بررسی نشر الکترون از نانولوله‌های کربنی به علت کاربرد‌های وسیع آن در صنعت پانل‌های نمایشی به عنوان تفنگ الکترونی، ارتقای فناوری میکروسکوپ‌های الکترونی به عنوان نوک در میکروسکوپ‌هایAFM و حکاکی در سطوح نانو است. مطالعات منتشرشده از سال1995 نشان می‌دهد [2,3,4] که نشرمیدانی برای تمامی انواع ساختار نانولوله‌های کربنی (Armchair,Zigzag,Chiral) به‌طور عالی برقرار است و نشان دهنده استقلال این اثر از نوع ساختار آنهاست.

شکل3. تصاویر نشر میدانی از فیلم‌هایی با نانولوله‌های چند دیواره و در ولتاژ یکسان اما با چگالی‌های متفاوت (از راست به چپ: کم، متوسط و زیاد) [6]

اما همین مطالعات، تک دیواره (SWNTs) بودن یا چند دیواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملی مؤثر مورد بررسی قرار داده‌اند [5].
به‌طور کلی عوامل مؤثر در نشر میدانی نانولوله‌های کربنی به دو دسته تقسیم می‌شود؛ اول، ساختار ذاتی و ویژگی‌های شیمیایی منحصر به فرد نانولوله‌ها که به قطر و رفتار سطحی آنها و نیز باز و بسته بودن انتهای آنها برمی‌گردد. دوم، چگالی و نیز نوع جهت‌گیری آنها بر روی سطح فیلمی که رشد داده شده‌اند. این زیرلایه می‌تواند با توجه به نوع کاربرد، سیلیکون و طلا و. . . باشد. بررسی روی نمونه‌های فراوان نشان می‌دهد که در فیلم‌هایی که چگالی نانولوله‌ها روی آنها متوسط و نرمال است، نشر الکترونی در میدان آستانه کمتری صورت می‌گیرد[6]. شکل (3) به‌خوبی نشان می‌دهد که فیلم با چگالی متوسط، نشر یکنواخت و واضحی را نشان می‌دهد که در آن، خطوط، پل‌ها و نقاط بر روی فیلم ساخته شده قابل تمایز هستند

 این نتایج اثبات‌کننده نقش مهم چگالی فیلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقویت میدانی یک نشرکننده الکترونی که جریان نشرشده را برای یک میدان الکتریکی تعیین می‌کند، تنها به هندسه نشرکننده یعنی شعاع انحنای نوک و ارتفاع نانولوله‌ها از زیرلایه بستگی دارد. اما وجود یک چگالی بهینه نانولوله‌ای روی فیلم که در چگالی‌های متوسط روی می‌دهد نشان دهنده فاصله‌ای بهینه بین نانولوله‌های ناشر الکترونی است که ما را به الگوی پخش نانولوله‌ها روی زیرلایه‌ها برای کارایی بهتر راهنمایی می‌کند. این فاصله تقریباً یک تا دو برابر ارتفاع نانولوله‌های کاربردی است که امروزه موضوع تحقیقاتی مهمی برای شرکت‌های تولید کننده پانل‌های نمایشی (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبیه‌سازی شده این مسئله را می‌توان دید و به مقایسه آنها پرداخت.

اما عاملی که روی کاربرد آنها تأثیر بسزایی دارد، ثابت باقی ماندن این یکنواختی و شدت نشر الکترونی در طول زمان است که روی طول عمر فیلم‌ها- در مقیاس تجاری- مؤثر است. با مقایسه فیلم‌های ساخته شده از نانولوله‌های تک دیواره و چند دیواره و آزمایش در شرایط یکسان، این نتیجه حاصل شده است که افت در نشرالکترونی در فیلم‌های تک دیواره ده برابر سریع‌تر از فیلم چند دیواره رخ می‌دهد. [5] این پدیده را شاید بتوان به حساسیت نانولوله‌های تک دیواره نسبت به بمباران یونی و پرتویی نسبت داد که چند دیواره بودن، این ضعف را با پوشش دیوارهای دیگر حذف می‌کند و نمی‌گذارد که تعادل ساختاری از بین برود. با توجه به توضیحات داده شده بهترین فیلم نانولوله‌ای، فیلمی است با چگالی متوسطی از نانولوله‌های چند دیواره با انتهای بسته که به‌طور یکنواخت روی زیرلایه‌ای توزیع شده‌اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتریکی، نشر یکنواختی را ایجاد کنند که آخری در صرفه‌جویی انرژی مؤثر است.

در شکل (5)، طرح ساده ای از یک نمایشگر نانوتیوپی نشان داده شده است(5) ، نانولوله کربنی که انتهای آن بر روی یک زیرلایه سیلیکونی قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتریکی تحریک میشود تا به گسیل الکترونی بپردازد دقیقا همان کاری را که تفنگ الکترونی در نمایشگرهای عادی انجام میدهد. الکترونهای منتشر شده در فاصله بین لایه فسفری و نانولوله شتاب داده می شوند تا در هنگام جذب بتوانند این لایه را برانگیخته کنند تا در انتها با ایجاد نورهای رنگی که ما برروی نمایشگر می بینیم کار به پایان برسد .
3. نتیجه
پارامترهای موثر در ساختمان یک فیلم نانو لوله ای گسیل میدانی غالبا از نوع هندسی هستند و ما با کنترل شرایط فیزیکی محیط در هنگام رشد نانولوله ها برروی زیرلایه
می توانیم کیفیت کاربردی و تجاری آن را بهبود ببخشیم .

شكل 4. در این شکل می‌توان از بالا به پایین تغییرات چگالی را از زیاد به کم دید که حالت چگالی متوسط بهترین بازده نشری را نشان می‌دهد

شكل 5. شماتیك بسیار ساده از یك نمایشگر اثر نشر میدانی نانولوله كربنی

شکل6. نمایشگر رنگی ساخته پژوهشکده سامسونگ در جنوب سئول در کره جنوبی

 

http://eletm-uni.blogfa.com/8701.aspx

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :