ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 4 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Автоэмиссионные свойства наноструктурированных катодов на основе углеродных фольг

Х.М. Тхет1, Ф.П. Чит1, Е.П. Шешин1

1 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.4.13 УДК 537.533 EDN CSREME

Аннотация

В работе рассматриваются автоэмиссионные свойства наноструктурированных катодов на основе углеродных фольг, включая терморасширенный графит, пиролитический графит и графен. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам - высокой электропроводности, механической прочности, термостойкости и низкой работе выхода - углеродные наноструктуры обладают значительным потенциалом в качестве холодных источников электронов для современных вакуумно-электронных приборов. В работе обсуждаются особенности структуры различных углеродных материалов, а также влияние наноморфологии, шероховатости поверхности и наличия острых выступов или слоистых микроструктур на характеристики полевой автоэмиссии. Особое внимание уделено технологиям получения, включая фольги, изготовленные методом CVD, лазерную модификацию поверхности, а также методы формирования графеновых и пиролитических графитовых пленок. Экспериментальные данные показывают, что наноструктурированные углеродные фольги обеспечивают стабильную автоэмиссию при относительно низких напряженностях электрического поля, а создание микро и нановыступов позволяет существенно повысить эффективность эмиссии. Моделирование траекторий электронов подтверждает пригодность катодов на углеродных фольгах для планарных и латеральных конструкций, используемых в пикселях дисплеев и других компактных источниках электронов. В заключение выделены ключевые проблемы, связанные со стабильностью, воспроизводимостью и деградацией эмиссионных характеристик, а также обозначены направления дальнейших исследований, направленные на повышение долговечности и масштабируемости углеродных автоэмиссионных катодов.

  • УГЛЕРОДНЫЕ ФОЛЬГИ
  • автоэмиссия
  • автоэмиссионные катоды
  • терморасширенный графит
  • пиролитический графит
  • графен
  • наноструктурированные углеродные материалы
  • холодные катоды
  • электронная эмиссия
  • углеродные наноструктуры
Abstract (in English)

Field emission properties of nanostructured cathodes based on carbon foils

This study examines the auto emission properties of nanostructured cathodes based on carbon foils, including thermally expanded graphite, pyrolytic graphite, and graphene. Owing to their unique physical and chemical characteristics-high electrical conductivity, mechanical strength, thermal stability, and low work function-carbon nanostructures demonstrate significant potential as cold electron sources for modern vacuum electronic devices. The paper discusses the structural features of various carbon materials, emphasizing how nanoscale morphology, surface roughness, and the presence of sharp edges or layered microstructures influence field emission performance. Special attention is given to fabrication techniques, including CVD-grown carbon foils, laser-induced surface structuring, and methods for forming graphene and pyrolytic graphite films. Experimental results show that nanostructured carbon foils provide stable emission at relatively low electric fields, and modifications such as creating micro and nano protrusions can substantially enhance electron emission. Modeling of electron trajectories confirms the suitability of carbon-foil-based emitters for planar and lateral configurations used in display pixels and other compact electron sources. The study highlights key challenges related to stability, reproducibility, and long-term degradation, and outlines directions for future research aimed at scalable manufacturing and improved durability of carbon-based field emitters.

Для цитирования

Тхет Х.М., Чит Ф.П., Шешин Е.П. Автоэмиссионные свойства наноструктурированных катодов на основе углеродных фольг // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.4.13

Литература

  1. Лвин З.Я. и др. Углеродные материалы для автоэмиссионных приборов на их основе // Труды Московского физико-технического института. - 2018. - Т. 10. - №. 2 (38). - С. 30-46.
  2. Лейченко А., Шешин Е., Щука А. Наноструктурные углеродные материалы в катодолюминесцентных источниках света // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2007. - №. 6. - С. 94-101.
  3. Колокольцев С.Н. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения / С.Н. Колокольцев. - Москва: Интеллект, 2012. - 296 с. - ISBN 978-5-91559-113-3. - EDN YSNMGB.
  4. Патент № 2398738 C1 Российская Федерация, МПК C01B 31/04, C04B 35/536. Высокотемпературный углеграфитовый теплоизоляционный материал и способ его получения: № 2009106482/15: заявл. 26.02.2009: опубл. 10.09.2010 / Н. Е. Сорокина, А. А. Свиридов, А. Н. Селезнев [и др.]. - EDN DYXFAY.
  5. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физических наук. - 1995. - Т. 165. - №. 9. - С. 977-1009.
  6. Кудашев С.Б., Игнатьев А.А., Сидорова Е.В., Углеродные наноматериалы и композиты. Санкт-Петербург, Лань, 2021, C.384.
  7. Третьяков Ю.Д., Гудилин Е.А., Малкин А.И., Химическое материаловедение: Наноструктуры и новые технологии. Москва, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2019, C.432-433.
  8. Иванов В.К., Попков В.И., Наноструктурные углеродные материалы: Графен и его производные. Москва, Техносфера, 2021, C.312-314.
  9. Гальперин А.М., Карташова Н.И., Углеродные наноматериалы: получение, структура, применение. Москва, НИЯУ МИФИ, 2020, C.340.
  10. Bobkov A.F., et al. Some aspects of the use of carbon materials in field emission cathodes // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, Volume 19, Issue 1, P.32-38.
  11. Dong-gn Lee, Shang-hyeun Park, Youg-chul Kim, Chang-soo Lee, Do-yoon Kim. Field emission devices and methods of manufacturing gate electrodes thereof // Pat USA US20150060757A1.
  12. Zhu J., Chen D., Wang Q. Field emission characteristics of carbon foil cathodes for display technologies // Vacuum, 2020, Vol. 175, P. 109-117.
  13. Li X., Zhang Y., Wang L. Carbon-based field emission cathodes: Properties and applications // Applied Surface Science, 2019, Vol. 489, P. 213-224.
  14. Шешин Е.П., Кузнецов С.И. Автоэмиссионные свойства углеродных материалов и перспективы их применения в катодах холодного типа // Известия РАН. Серия физическая, 2016, Т.80, №3, С.392-398.
  15. Шешин Е.П., Кузнецов С.И. Автоэмиссионные свойства углеродных материалов и перспективы их применения в катодах холодного типа. // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т.80, №3. С.392-398.
  16. Кузнецов С.И., Петров А.Л. Применение лазерного излучения для модификации поверхности и раскроя углеродных композиционных материалов и углеродных тканей. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2003. Т.5, №1. С.46-54.
  17. Герасимов В.И., Капица П.Л., Романов В.А. Исследование структуры и свойств терморасширенного графита и фольг на его основе. // Успехи физических наук. 2015. Т.185, №9. С.987-995.
  18. Li X., Zhang Y., Wang L. Carbon-based field emission cathodes: Properties and applications. // Applied Surface Science. 2019. Vol. 489. P. 213-224.
  19. Wai Zin Hlaing, Evgeny P. Sheshin, Htet Win Aung, Ye Min Htwe, Kyaw Moe Aung. Research of Field-Emission Properties of Flat Field Emission Cathodes Based on Graphite Foils // International conference on Electrical and Electronics Engineering (February 18- 19, 2020, Seoul, South Korea). - 2020. ISSN(p): 2394-2835 Volume-7, Issue-5, P. 11-15.