СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ МАССИВОВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ
METHOD FOR APPLICATION OF ARRAYS OF CARBON NANOTUBES ON METAL SUBSTRATES

Изобретение относится к области получения углеродных наноструктур, а именно массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках.
Углеродные наноматериалы имеют широкий спектр применения. Одно из важных направлений их практического использования - это создание автоэлектронных эмиттеров на основе массивов углеродных нанотрубок на токопроводящих подложках.
Известен способ нанесения углеродных нанотрубок на металлические подложки [Wu Z. Transparent conductive carbon nanotube films. Science, 2004, v. 305, p. 1273-1276] - аналог. Нанотрубки наносят на металлические подложки из растворов путем вакуумной фильтрации через мембрану с последующим удалением поверхностно-активных веществ. Основным недостатком аналога является сложность, которая обусловлена необходимостью изготовления наноструктурированных мембран и приготовления жидких растворов углеродных нанотрубок. Кроме того, следует отметить плохую воспроизводимость процесса, а также загрязнение массива углеродных нанотрубок поверхностно-активными веществами.
Известен способ нанесения углеродных нанотрубок на металлические подложки [Kaempgen М. Sonochemical optimization of the conductivity of single wall carbon nanotube networks. Adv. Mater., 2008, v. 20, p. 616-620]. Нанотрубки наносят на металлические подложки ультразвуковым распылением жидких растворов. Создание раствора на основе смеси углеродных нанотрубок и поверхностно-активных веществ для получения высококачественных пленок требует значительных усилий, поэтому сложность процесса является основным недостатком аналога. Следует отметить, что загрязнение углеродных нанотрубок поверхностно-активными веществами и веществом растворителя также нужно отнести к недостаткам процесса-аналога.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ нанесения углеродных нанотрубок на металлическую подложку (Патент RU 2471706, кл. С01В 31/02, 10.01.2013 г.), позволяющий осаждать упорядоченные массивы УНТ на подложки из электротехнических нелегированных сталей в атмосфере инертного газа. Изготавливаемые на этом устройстве структуры «подложка - массив УНТ» являются токопроводящими.
Однако эти структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров по причине плохого контакта металлическая подложка - углеродные нанотрубки и показывают плохие характеристики в части, касающейся срока службы и плотности тока. Заявленное устройство позволяет размещать подложки исключительно вблизи дуги, и для поиска оптимального расстояния для получения токопроводящих структур, пригодных для изготовления автоэлектронных эмиттеров, требуется специальное приспособление, позволяющее перемещать металлические подложки (изготовление катода с большим количеством отверстий для крепления подложек на разных расстояниях приводит к изменению потоков углеродсодержащего пара и отсутствию нанотрубок в слое сажи на металлических подложках).
Задачей предлагаемого способа является упрощение процесса нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки без примеси сажи и фуллеренов, что обеспечивало бы хороший контакт углеродных нанотрубок с металлической подложкой и получение структуры, пригодной для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
Эта задача решается в способе нанесения массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки, включающем осаждение углеродных нанотрубок на металлические подложки в дуговом реакторе в рабочей атмосфере на основе инертного газа, при этом металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 10d-12d от оси дугового разряда, где d - диаметр графитового стержня анода, а рабочей атмосферой является смесь, содержащая водород 8-10 об.% и гелий - остальное.
Сепарация нанотрубок от примесей (углеродных наночастиц, сажи и фуллеренов) основана на разном парциальном давлении углеродных наноматериалов в плазме дугового разряда в атмосфере гелия и, как следствие, на наличии градиента концентрации этих примесей в объеме, окружающем дуговой разряд. В атмосфере гелия на расстоянии 10d-12d от оси дугового разряда, где d - диаметр графитового стержня анода, на металлические подложки преимущественно конденсируются сажа, фуллерены и углеродные нанотрубки. Дальнейшие опыты показали, что получение массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках без примеси сажи и фуллеренов возможно при введении в атмосферу гелия 8-10% (об.) водорода.
Массивы углеродных нанотрубок на металлических подложках, полученные предложенным способом, являются токопроводящими и пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров, что подтверждается вольт-амперными характеристиками Фиг. 1, снятыми при комнатной температуре. На Фиг. 1 кривая 1 получена при повышении напряжения, кривая 2 - при понижении напряжения от 1000 В.
Примеры.
1. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводили в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 7% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
2. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 11% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
3. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 11d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток наблюдался. Полученные структуры пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
4. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 9,5d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
5. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 12,5d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток не наблюдался. Полученные структуры не пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.
6. Осаждение массивов углеродных нанотрубок на металлические подложки проводится в процессе горения дуги в атмосфере смеси, содержащей водород - 10% (об.) и гелий (остальное), металлические подложки закреплены на дисковом катоде на расстоянии 10d от оси дугового разряда (где d - диаметр графитового стержня анода). В результате измерения вольт-амперных характеристик полученных массивов углеродных нанотрубок на металлических подложках эмиссионный ток наблюдался. Полученные структуры пригодны для изготовления автоэлектронных эмиттеров.