научная статья по теме АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЗАРЯДОВ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Физика

Текст научной статьи на тему «АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЗАРЯДОВ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 107-111

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА

УДК 537.5

АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЗАРЯДОВ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ

© 2014 г. Д. Н. Борисенко, P. M. Walmsley*, A. I. Golov*, Н. Н. Колесников, Ю. В. Котов, А. А. Левченко, M. J. Fear*

Институт физики твердого тела РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., ул Академика Осипьяна, 2 * The University of Manchester Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK E-mail: levch@issp.ac.ru Поступила в редакцию 25.12.2013 г. После доработки 02.04.2014 г.

Описаны способы изготовления автоэлектронных источников зарядов из углеродных нанотрубок, которые можно использовать для изучения свойств инжектированных зарядов в криогенных жидкостях и кристаллах (площадь источника порядка нескольких квадратных миллиметров, рассеиваемая мощность <10-6 Вт). Первая серия источников изготовлена осаждением нанотрубок из дугового разряда на плоскую медную подложку, а вторая серия — механическим втиранием нанотрубок в пористый металл. Испытания источников первой серии в диоде с зазором 0.5 мм показали, что в сверхтекучем He-II ток отрицательных зарядов на уровне 10-12 А возникает при напряжении на катоде U = —140 В и возрастает до 10-9 А при повышении идо 170 В. При смене знака ток положительных зарядов в диоде возникает при напряжении U > 240 В. Источник из первой серии мы использовали для наблюдения движения отрицательных и положительных зарядов в образцах твердого гелия при температурах до 75 мК. Для источников второй серии в сверхтекучем He-II ток отрицательных зарядов на уровне 10-12 А возникает при напряжении U = —260 В.

DOI: 10.7868/S0032816214060159

ВВЕДЕНИЕ

Структуру и свойства инжектированных зарядов в жидком и твердом гелии, а также водороде (отрицательно или положительно заряженных точечных дефектов) исследуют много лет [1]. Заряды можно использовать также как пробные частицы для изучения свойств сверхтекучего гелия [2].

Для инжекции зарядов в объем конденсированного гелия применяются источники нескольких типов. 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 и составляет от одной сотни до нескольких сотен вольт, а сила тока I — до 10-10 А. Применение металлического острия в качестве источника зарядов позволяет инжектировать заряды в объем короткими импульсами во избежание перегрева окружающего гелия.

Углеродные нанотрубки стабильны, не подвержены окислению, диаметр их торца составляет ~1 нм, что меньше радиуса металлического

острия [4], поэтому они могут быть использованы в качестве источников зарядов. В работе [5] описан успешный пример такого применения нано-трубок. Нанотрубки, одностенные или многостенные, с помощью серебряной пасты приклеивали к вольфрамовому стержню и использовали в качестве источников отрицательных и положительных зарядов в жидком гелии. Эмиссия зарядов наблюдалась при приложении к металлическому стержню напряжения ~100 В для отрицательных зарядов и ~400 В при изучении движения положительных ионов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ

Цель данной работы — создание стабильного плоского источника зарядов на основе нанотру-бок для исследования особенностей движения инжектированных зарядов в твердом гелии при температурах ниже 0.5 К. Наиболее удачными оказались два способа изготовления источников.

При первом способе изготовленные электродуговым методом нанотрубки осаждались на медные подложки диаметром 10 мм [6]. Устройство для получения массивов углеродных трубок на

Рис. 1. Фотографии поверхности медной подложки, покрытой углеродными структурами, полученные сканирующим электронным микроскопом. На фотографии справа увеличение в десять раз выше, чем на фотографии слева.

Рис. 2. Фотографии поверхности пористой нержавеющей подложки, покрытой углеродными структурами, полученные сканирующим электронным микроскопом. На фотографии справа увеличение в три раз выше, чем на фотографии слева.

металлических подложках описано в [7]. Полированные подложки в количестве 3—5 штук размещали на плоском графитовом катоде и закрепляли 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 приведены две фотографии поверхности медной подложки, покрытой продуктами, осажденными из газового разряда. Фотографии получены сканирующим электронным микроскопом. На фотографии слева хорошо видно, что поверхность подложки является неоднородной. При большем увеличении (фотография справа) отчетливо просматриваются длинные нанотрубки, свитые в клубки. В точках пересечения нанотрубок видны более крупные углеродные структуры. Иногда можно было наблюдать углеродные луковицы различных размеров. Поверхность источника, как видно на фотографии, не является идеально плоской. Как показали наблюдения оптическим микроскопом, характерная высота неоднородностей достигает нескольких микрометров.

При втором способе однослойные углеродные нанотрубки, выращенные электродуговым методом [7], наносили на пористую поверхность диска из нержавеющей стали ^е (57%), Сг (20%), N1 (11%), С (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 приведены две фотографии поверхности источника зарядов, полученные сканирующим электронным микроскопом. На фотографии слева видны неоднородности поверхности с характерными размерами несколько микрометров. При большем увеличении (фотография справа) хорошо просматриваются длинные углеродные нанотрубки. На трубках имеются утолщения, вероятно, это частицы сажи. Использование сажи, как показал опыт, улучшает механический контакт нанотрубок с металлической поверхностью.

АВТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК ЗАРЯДОВ

109

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ЗАРЯДОВ

Вольт-амперные характеристики автоэлектронных источников зарядов изучали при комнатной температуре в вакууме, после чего проводили измерения при низких температурах в сверхтекучем He-II. Ячейку с источником зарядов и коллектором устанавливали либо в измерительную вакуумную камеру, либо в гелиевый криостат. Металлический диск источника зарядов приклеивали серебряной пастой к металлической пластине, которая была установлена в корпус измерительной ячейки, изготовленной из текстолита. На высоте ~0.5—1 мм над поверхностью источника размещали медный коллектор. Постоянное напряжение от источника напряжения Stanford Research Systems, Model PS350/5000V-25W К подключали к источнику зарядов через ограничительное сопротивление R ~ 1010 Ом. Для измерений коллекторного тока использовали усилитель постоянного тока Stanford Research Systems, Model SR 570.

Первоначально вольт-амперные характеристики I( U) источников измеряли при комнатной температуре в вакуумной камере. Давление в камере составляло 10-6 Торр. На рис. 3 показана вольт-амперная характеристика источника, изготовленного первым способом, т.е. осаждением на полированную медную подложку нанотрубок из газового разряда. Видно, что при плавном повышении приложенного напряжения отрицательной полярности до 150 В коллекторный ток возрастает скачком до ~0.5 • 10-12 A, при последующем повышении напряжения U до ~300 В ток быстро возрастает до 10-8 А (кривая 1).

Затем к источнику скачком было приложено отрицательное напряжение U = —1000 В и исследовано, как уменьшается ток эмиссии источника при понижении напряжения. Оказалось, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода изменилась кардинально (кривая 2). При плавном понижении напряжения на кривых I( U) наблюдается гистерезис, причем при напряжениях U < 200 B ток эмиссии на кривой 2 превышает значение тока, наблюдаемое при повышении напряжения. Важно отметить, что при повторном повышении напряжения U от 0 до 300 В вольт-амперная характеристика диода в вакуумной камере при давлении 10-6 Торр (кривая 1) не воспроизводится.

Характеристики источников, изготовленных вторым способом, оказались также невоспроизводимыми в вакууме.

Как показали дальнейшие испытания, источники, которые первоначально тестировали 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 не-

Рис. 3. Вольт-амперная зависимость отрицательного тока через вакуумный диод, полученная при комнатной температуре: 1 — при повышении напряжения до 300 В, 2 — при понижении напряжения от 1000 В. Источник изготовлен осаждением нанотрубок на медную подложку.

достаточно высоком вакууме в сильных электрических полях. Поэтому в дальнейшем мы отказались от тестирования в вакууме и все тестовые измерения проводили сразу в сверхтекучем гелии.

Напомним, что жидкий гелий — это бесцветная жидкость плотностью при температуре 1.3 К около 0.145 г/см3. Коэффициент диэлектрической проницаемости жидкого гелия близок к единице, е = 1.057. Энергия ионизации атома гелия составляет 24.5 эВ.

Корпус диода был изготовлен из гетинакса. Расстояние источник—коллектор в исследуемом диоде составляло 0.5 мм. Источник был изготовлен осаждением нанотрубок из разряда на медную подложку. Важной характеристикой источника может являться напряжение, приложенное к нему, выше которого ток инжекции зарядов в объем достигает заметной величины (>10-12 А в наших испытаниях).

На рис. 4 показана вольт-амперная характеристика диода, помещенного в сверхтекучий гелий, охлажденный до 1.3 К (кривая 1). К металлической пла

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»