Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 12 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Peculiarities of charge transfer under cold field emission from carbon nanotubes cathodes

Z. Kosakovskaya1, S.V. Von Gratowski1, V.V. Koledov1, V.G. Shavrov1, A.M. Smolovich1, A.P. Orlov1, L. Jun-Ge2,3

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 Engineering Research Center of IoT Technology Applications (Ministry of Education), Department of Electronic Engineering, Jiangnan University, China, China
3 School of Electronic Science and Engineering, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University, China, China
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.12.9 UDC 621.389 EDN POUDSD

Abstract

The conductivity of the emitter section of a nanodiode circuit with an emitter made of an individual closed carbon nanotube (CNT) and arrays of closed CNTs was studied. High values of cold field emission were observed, as well as nonlinearity and anomalies of the current-voltage characteristic (CVC), which manifested themselves in the form of peaks at low and high current values. Peaks in the CVC have distinct areas of negative differential conductivity. The anomalously high currents in the I-V characteristics of cold field emission of electrons from a nanoemitter made of closed CNTs can be associated with a sharp increase in the density of electron states at energies near the van Hove singularity.

  • carbon nanotubes (CNTs)
  • cold field emission of electrons
  • Fowler-Nordheim law
  • current-voltage characteristic (CVC)
  • pointed cathodes
  • negative differential conductivity
  • van Hove singularity
Аннотация (на русском)

Особенности переноса заряда при холодной полевой эмиссии с катодов из углеродных нанотрубок

Изучалась проводимость эмиттерного участка цепи нанодиода с эмиттером из индивидуальной закрытой углеродной нанотрубки (УНТ) и массивов закрытых УНТ. Наблюдались высокие значения холодной полевой эмиссии, а также нелинейность и аномалии вольт-амперной характеристики (ВАХ), проявляющиеся в виде пиков при малых и больших значениях тока. Пики на ВАХ обладают отчетливыми областями отрицательной дифференциальной проводимости. Аномально высокие токи на ВАХ холодной полевой эмиссии электронов с наноэмиттера из закрытых УНТ могут быть связаны с резким увеличением плотности состояний электронов при энергиях вблизи особенности Ван Хова.

For citation

Kosakovskaya Z., Gratowski S.V. Von, Koledov V.V., Shavrov V.G., Smolovich A.M., Orlov A.P., Jun-Ge L. Peculiarities of charge transfer under cold field emission from carbon nanotubes cathodes // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.9

References

  1. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 1991. V.354(6348). P.56-58.
  2. Chernozatonskii L.A. Barrelenes. Tubelenes - A new class of cage carbon molecules and its solids. Physics Letters A. 1992. V.166. №1. P.55-60.
  3. Косаковская З.Я., Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура. Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.56. №1. С.26-30.
  4. Bethune D.S., Kiang C.H., De Vries M.S., Gorman G., Savoy R., Vazquez J., Beyers R. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Nature. 1993. V.363. №6430. P.605-607.
  5. Iijima S., Ichihashi T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature. 1993. V.363. №6430. P.603-605.
  6. Chernozatonskii L.A., Gulyaev Y.V., Kosakovskaja Z.J., Sinitsyn N.I., Torgashov G.V., Zakharchenko Y.F., Val'chuk V.P. Electron field emission from nanofilament carbon films. Chemical Physics Letters. 1995. V.233. №1-2. P.63-68.
  7. Елецкий А.В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок. Успехи физических наук. 2010. Т.180. №9. С.897-930.
  8. Эйдельман Е.Д., Архипов А.В. Полевая эмиссия из углеродных наноструктур: модели и эксперимент. Успехи физических наук. 2020. Т.190. №7. С.693-714.
  9. Томилин О.Б., Родионова Е.В., Родин Е.А. Механизм полевой эмиссии электронов в одностенных углеродных нанотрубках. Журнал физической химии. 2020. Т.94. №8. С.1242-1247.
  10. Томилин О.Б., Родионова Е.В., Родин Е.А. Исследование устойчивости модели полевой эмиссии электронов из углеродных нанотрубок к изменению их геометрических параметров. Журнал физической химии. 2021. Т.95. №9. С.1396-1398.
  11. Томилин О.Б., Родионова Е.В., Родин Е.А., Поклонский Н.А., Аникеев И.И., Раткевич С.В. Зависимость энергии эмиссионных молекулярных орбиталей в коротких открытых углеродных нанотрубках от электрического поля. Физика твердого тела. 2022. Т.64. №3. С.359-363.
  12. Елецкий А.В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок. Успехи физических наук. 2009. Т.179. №3. С.225-242.
  13. Li H., Lu W.G., Li J.J., Bai X.D., Gu C.Z. Multichannel ballistic transport in multiwall carbon nanotubes. Physical review letters. 2005. V.95. №8. P.086601.
  14. Huo C., Liang F., Sun A.B. Review on development of carbon nanotube field emission cathode for space propulsion systems. High Voltage. 2020. V.5. №4. P.409-415.
  15. Соминский Г.Г., Тумарева Т.А. Перспективные полевые эмиттеры из углеродных нанотрубок, графена и полупроводников: последние разработки. Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2015. Т.23. №2. С.74-93.
  16. Milne W.I., Teo K.B.K., Amaratunga G.A.J., Legagneux P., Gangloff L., Schnell J.P., Groening O. Carbon nanotubes as field emission sources. Journal of Materials Chemistry. 2004. V.14. №6. P.933-943.
  17. Zou R., Hu J., Song Y., Wang N., Chen H., Chen H., Chen Z. Carbon nanotubes as field emitter. Journal of Nanoscience and nanotechnology. 2010. V.10. №12. P.7876-7896.
  18. Солдатов Е.С., Колесов В.В. Одноэлектроника: прошлое, настоящее, будущее. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2012. Т.4. №2. С.71-90.
  19. Shingaya Y., Nakayama T., Aono M. Carbon nanotube tip for scanning tunneling microscopy. Physica B: Condensed Matter. 2002. V.323. №1-4. P.153-155.
  20. Wilson N.R., Macpherson J.V. Carbon nanotube tips for atomic force microscopy. Nature nanotechnology. 2009. V.4. №8. P.483-491.
  21. Kim S.J. Измерители вакуума, использующие эмиттеры из углеродных нанотруб. Письма в ЖТФ. 2005. Т.31. №14. С.34-39.
  22. Fowler R.H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 1928. V.119. №781. P.173-181.
  23. Forbes R.G. Field emission: New theory for the derivation of emission area from a Fowler-Nordheim plot. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1999. V.17. №2. P.526-533.
  24. Liang S.D., Chen L. Generalized Fowler-Nordheim theory of field emission of carbon nanotubes. Physical Review Letters. 2008. V.101. №2. P.027602.
  25. Jensen K.L. Electron emission theory and its application: Fowler-Nordheim equation and beyond. Journal of vacuum science & technology B: microelectronics and nanometer structures processing, measurement, and phenomena. 2003. V.21. №4. P.1528-1544.
  26. Lepetit B. Electronic field emission models beyond the Fowler-Nordheim one. Journal of Applied Physics. 2017. V.122. №21. P.215105.
  27. Vul A., et al. A model of field emission from carbon nanotubes decorated by nanodiamonds. Advanced Science Letters. 2010. V.3. №2. P.110-116.
  28. Katkov V.L., Osipov V.A. Energy distributions of field emitted electrons from carbon nanosheets: Manifestation of the quantum size effect. JETP letters. 2009. V.90. №4. P.278-283.
  29. Косаковский Г.Г., Латышев Ю.И., Благов Е.В., Косаковская З.Я., Орлов А.П., Смолович А.М. Низковольтная полевая эмиссия с углеродных нанотрубных катодов. Нелинейный мир. 2013. Т.11. №2. С.087-089.
  30. Далидчик Ф.И., Балашов Е.М., Гришин М.В., Ковалевский С.А., Колченко Н.Н. Сканирующая туннельная спектроскопия взаимодействующих низкоразмерных углеродных наноструктур. Российский химический журнал. 2005. Т.159. №3. С.98-104.
  31. Nasibulin A.G., Pikhitsa P.V., Jiang. H., Brown D.P., Krasheninnikov A.V., Anisimov A.S., Kauppinen E.I. A novel hybrid carbon material. Nature Nanotechnology. 2007. V.2. №3. P.156-161.