научная статья по теме АВТОКОЛЕБАНИЯ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ПОЛЕВЫМ ЭМИТТЕРОМ Физика

Текст научной статьи на тему «АВТОКОЛЕБАНИЯ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ПОЛЕВЫМ ЭМИТТЕРОМ»

Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 6, с. 510-514

© 2009 г. 25 сентября

Автоколебания в электромеханической системе с полевым

эмиттером

В. И. Клещ^+*, А. Н. Образцов*, Е.Д. 0бразцова+

+ Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия * Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, 119992 Москва, Россия Поступила в редакцию 12 августа 2009 г.

Обнаружен эффект возникновения электромеханических автоколебаний в системе, представляющей собой вакуумный диод с полевым катодом из одностенных углеродных нанотрубок. При приложении постоянного напряжения между таким катодом и анодом наблюдалось возникновение стабильных механических колебаний, сопровождающихся колебаниями автоэмиссионного тока. Предложена эмпирическая модель явления, описываемая системой одномерных уравнений механического движения и электрических процессов в системе. Проведен анализ полученных уравнений и показано качественное соответствие экспериментальных и теоретических результатов. Показано, что обнаруженное явление носит общий характер для систем, включающих наноразмерные полевые эмиттеры. Предложенный механизм возникновения автоколебаний может служить основанием для объяснения экспериментально наблюдаемых особенностей таких нано-эмиттеров.

РАСБ: 07.10.Cm, 78.67.Ch, 79.60.Jv, 79.70.+Ч

Полевая (автоэлектронная) эмиссия привлекает значительное внимание исследователей в последние десятилетия в связи с появлением нового типа эмиттеров, представляющих собой острийные (или лезвийные) структуры с нанометровыми характерными размерами. Наиболее ярким примером таких структур являются углеродные нанотрубки [1]. За счет высокого аспектного отношения напряженность электрического поля на поверхности нанотрубок, создаваемая при приложении напряжения между ними и анодом, может быть в сотни и тысячи раз выше по сравнению с аналогичной для катодов с плоской поверхностью. Это приводит к аномально высоким значениям эмиссионного тока при сравнительно низких значениях приложенного напряжения, что делает нанотрубки привлекательными для использования в приборах вакуумной электроники [1]. В то же время высокое аспектное соотношение и уникальные механические характеристики нанотрубок [2] проявляются в их способности к значительным упругим деформациям под действием внешнего электрического поля [3]. Данное свойство отличает нанотрубки от традиционных, хорошо изученных, автоэлектронных эмиттеров на основе тугоплавких металлов и полупроводников, которые обычно изготавливаются в виде конусообразных острий, неспособных к заметным деформациям [4]. Упругие свойства нанотрубок про-

^ e-mail: kleschepolly.phys.msu.ru

являются, в частности, при изучении автоэлектронной эмиссии из одиночных трубок, находящихся в состоянии резонансных механических колебаний, возникающих под действием внешнего электрического переменного поля [3,5,6].

В то же время, как показали недавние эксперименты, наличие эффективной автоэлектронной эмиссии может приводить к колебаниям и в постоянном внешнем поле. Так, в работе [7] при исследовании автоэлектронной эмиссии в постоянном электрическом поле наблюдались интенсивные механические осцилляции жгута, состоящего из одностенных углеродных нанотрубок. Причины возникновения таких колебаний не были установлены. В работе [8] наблюдались похожие осцилляции многостенных углеродных нанотрубок. Авторы связали данный эффект с "баллистическим" типом эмиссии, при котором электроны эмиттируются группами за счет малой площади эмиттирующей поверхности. В работе [9] изучались колебания полупроводниковых нано-проволок из карбида кремния. Предложенная авторами этой работы математическая модель колебаний эмиттера в постоянном поле качественно согласуется с экспериментальными наблюдениями. Однако сделанные при вычислениях математические приближения, в частности, выбранная геометрия модельного эксперимента, являются сильно идеализированными и не могут быть реализованы в реальном эксперименте. Это не позволяет сделать заключение о том,

какие именно свойства системы, ее наноразмерность, полупроводниковый характер проводимости, малое трение или другие характеристики, являются ответственными за возникновение колебаний. Недавно эффект возбуждения колебаний в постоянном поле был продемонстрирован и для макроскопических полевых эмиттеров: нитей, скрученных из массива многостенных углеродных нанотрубок [10,11]. Параметры наблюдаемых колебательных возбуждений оказались схожими со случаем наноразмерных эмиттеров, что свидетельствует о единой природе данных явлений.

В настоящей работе исследовались колебания, возбуждаемые под действием постоянного поля, в системе, включающей полевой катод, изготовленный из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). В ходе экспериментальных исследований была однозначно установлена электромеханическая природа колебаний и предложена физическая модель этого явления, которая объясняет возникновение колебаний как для наноразмерных, так и для макроскопических больших объектов, содержащих нано-эмиттеры.

Образцы для исследования автоэлектронной эмиссии изготавливались из пленок, состоящих из переплетенных между собой ОУНТ. Синтез нанотрубок проводился электродуговым методом [12]. Пленки были получены в процессе очистки нанотрубок при осаждении из раствора азотной кислоты на пористый фильтр. Толщина пленок составляла около 0.1 мм. В качестве эмиттеров использовались нарезанные полоски пленки шириной в пределах 0.1-3 мм и длиной 5-20 мм. Полоски закреплялись на стальной подложке за один из концов с помощью графитовой клейкой ленты (рис.1а). Подложка с эмиттером использовалась в качестве катода в конфигурации вакуумного диода с плоским стальным анодом. Измерения эмиссионных характеристик проводились при уровне вакуума Ю-6 торр. Расстояние между катодом и анодом устанавливалось с помощью микрометрического винта. Между электродами прикладывалось постоянное напряжение от 0 до 5кВ, при котором измерялась зависимость эмиссионного тока от времени с разрешением 0.1 мкс.

При приложении напряжения свободный конец полоски из ОУНТ изгибался под действием электростатической силы в направлении анода (рис.1Ь). При достижении порогового значения напряжения возникал автоэмиссионный ток. При этом, несмотря на постоянное приложенное напряжение, в некоторых случаях наблюдались стабильные механические колебания свободного конца эмиттера (рис.1с) и колебания величины автоэмиссионного тока на частотах в диапазоне 100-300 Гц в зависимости от геометрических

(а)

Рис.1. Изображения автоэлектронного эмиттера из ОУНТ пленки, (а) в отсутствие электрического поля, (Ь) в постоянном электрическом поле ниже порога возникновения автоэмиссионного тока, (с) в постоянном электрическом поле при наличии автоэмиссионного тока в колебательном режиме

размеров исследованных образцов. Типичный вид зависимости тока автоэмиссии от времени показан на рис.2 и имеет характерную форму негармонических

0.03 < 0.02

0.01

0

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t (s)

Рис.2. Зависимость автоэмиссионного тока ОУНТ эмиттера от времени при приложении постоянного напряжения. Частота колебаний 150 Гц

периодических колебаний. С увеличением напряжения частота и амплитуда колебаний возрастали до некоторого предела, после которого при дальнейшем увеличении напряжения колебания не наблюдались.

Для того чтобы установить, что колебания возникают не вследствие каких-либо специфических свойств используемых ОУНТ пленок, а определяются только их гибкостью и автоэмиссионными свойства-

ми, были также изготовлены эмиттеры из отрезка медной проволоки длиной Зсм и диаметром 0.25 мм. На одном из концов проволоки закреплялся отрезок ОУНТ пленки размером 0.5 х 1 мм, играющий роль эмиттирующего материала. При использовании такой проволоки с ОУНТ эмиттером также наблюдались аналогичные по форме колебания, которые при приложении постоянного напряжения 5 кВ происходили на частоте около 25 Гц.

Для определения механических колебательных характеристик исследованной системы между электродами прикладывалось напряжение обратной полярности. При использовании напряжения в виде периодических импульсов наблюдались резонансные колебания на собственных частотах, соответствующих механическим характеристикам исследованных образцов. По зависимости амплитуды резонансных колебаний от частоты прикладываемого напряжения был определен характерный декремент затухания, который оказался равным ~ 10. Было установлено, что колебания тока в постоянном поле, при его полярности, соответствующей получению автоэмиссии, происходят на частотах, близких к собственным.

Таким образом, описанные экспериментальные наблюдения показывают, что, несмотря на существенные потери энергии, в рассматриваемых системах, содержащих автоэмиттеры, при определенных условиях наблюдаются незатухающие колебания, вызванные постоянным приложенным напряжением. Аналогичные негармонические периодические возбуждения наблюдаются в автоколебательных системах различных типов [13], включая, например, биение сердца, колебания скрипичной струны, электрические колебания в соответствующих цепях, и пр. Как было указано выше, при исследовании автоэмиссии из материалов различного типа также часто отмечаются периодические механические и электрические колебания [3,5-11], характер которых аналогичен нашим наблюдениям. Общим для всех перечисленных наблюдений является наличие упругих свойств эмиттеров, обеспечивающих их механическую гибкость, а также их наноразмерность, благодаря которой эффективная автоэмиссия наблюдается при относительно невысоких напряжениях. Указанные общие свойства были использованы нами при построении модели колебательной системы, представленной на рис.3.

Механическое движение гибкого упругого эмиттера определяется силой упругости Рш, силой внутреннего трения Ру и электростатической силой Рд, действующей на заряд, индуцированный на эмиттере под действием приложенного к электродам напря-

№-Г*

у0

е1ес1лс

V т, У

С1

е1аБ11с

(Ь) %

-ИС

ч

V

Гп

Рис.3. Схема электромеханической модели гибкого эмиттера: (а) схема механической части, состоящая из материальной точки с эффективн

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