[論文レビュー] Enhanced field emission from multiwall carbon nanotube films by secondary growth

Christian Klinke, Erik Delvigne+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2006

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 25被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、二次的化学蒸着法（CVD）を用いて一次CNTフィルムの側面に二次的マルチウォールカーボンナノチューブ（MWCNT）を成長させることで、フィールドエミッション性能が顕著に向上することを示している。ニッケルまたはフェリチンを触媒として用いることで、一次CNT上に二次ナノチューブが形成され、フィールド増幅要因に変化がないにもかかわらず、有効エミッタ密度が増加し、発光電流と均一性が向上する。これは、より多くのエミッタがアノードに向かって整列するためである。

ABSTRACT

We have studied nickel, gold, and ferritin coatings on catalytically grown multiwall carbon nanotubes, as well as the generation of secondary nanotubes by resubmitting the decorated nanotubes to the chemical vapor deposition process. Nickel layers sputtered on nanotubes show a stronger interaction with the nanotube walls than gold coatings. At ambient temperature this results in a metal film that is more homogeneous for Ni than for Au. Surface mass transport at elevated temperatures leads to a transformation of the coating to nanoscale clusters on the nanotube surface. The resulting Au clusters are sphere-like with a very small contact area with the nanotube whereas the Ni clusters are stretched along the tube axis and have a large contact area. Secondary nanotubes were established by growing nanotubes directly on the walls of primary nanotubes. Thin Ni layers or ferritin served as catalyst. We compared the field emission properties of samples with and without secondary nanotubes. The presence of secondary nanotubes enhances the field emission substantially.

研究の動機と目的

• フラットパネルディスプレイおよび電子源の応用を想定した、カーボンナノチューブフィルムにおけるフィールドエミッション効率と均一性の向上を目的とする。
• 金属触媒（ニッケル対金）が一次MWCNTに与える影響およびその熱的挙動を調査することを目的とする。
• 一次ナノチューブの側面に直接二次ナノチューブを成長させる手法の開発を目的とする。
• 一次CNTフィルムとニッケルまたはフェリチン触媒を用いた二次ナノチューブ成長後のフィルムとの間で、フィールドエミッション性能を比較することを目的とする。
• 二次ナノチューブの形状および分布がフィールドエミッション特性に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 660 °CでC2H2を用いた化学蒸着法（CVD）により、フェリチンまたはフェリックナイトレートを触媒として用いて一次MWCNTを合成した。
• 一次CNTにニッケル（5–15 nm）をスパッタリング法、または金をコーティングして触媒シーディングを行った。
• フェリチン溶液を用いてCNTにコーティングし、二次核生成を促進した後、再びCVDを実施して二次ナノチューブを成長させた。
• 抵抗加熱を用いたインサイト伝送電子顕微鏡（TEM）を実施し、金属クラスターの変化およびナノチューブ成長を観察した。
• 125 µmのギャップを有するCNTカソードとステンレス鋼アノード間でフィールドエミッション測定を実施し、電流はKeithley 237ソース・メジャーユニットを用いて測定した。
• 二次ナノチューブを有する・ないサンプルのI–V特性、起動電場（Eto）、しきい値電場（Eth）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニッケルと金のコーティングが、常温および高温下でのMWCNTとどのように相互作用するか。
• RQ2 二次ナノチューブの成長が、フィールドエミッション電流密度および均一性に与える影響は何か。
• RQ3 フィールド増幅要因が向上しないにもかかわらず、なぜ二次ナノチューブの成長がフィールドエミッションを向上させるのか。
• RQ4 触媒種（ニッケル対フェリチン）およびナノチューブの形状が、二次ナノチューブ成長の均一性および性能に与える影響は何か。
• RQ5 二次ナノチューブが存在する状態で、一次ナノチューブの直径がフィールドエミッションに及ぼす影響はどの程度か。

主な発見

• ニッケルコーティングは、ナノチューブ表面との強い相互作用により、常温で金よりも均一な膜を形成する。
• 660 °Cに加熱すると、ニッケルはナノチューブ軸に沿って広い接触面積を持つ細長いクラスターを形成するが、金は接触面積が最小限の球状クラスターを形成する。
• ニッケルまたはフェリチンを触媒として用いることで、一次MWCNTの側面に直接二次ナノチューブが成長し、長さは50–100 nmであった。
• 二次ナノチューブを有するサンプルでは、フィールドエミッションが顕著に向上した。フェリチン触媒を用いた一次CNTでは、Ethが7.9 V/µmから6.6 V/µmに低下した。
• フェリックナイトレート触媒を用いた一次CNTでは、Ethが>8 V/µmから6.7 V/µmに低下し、Etoは5.2 V/µmから5.0 V/µmに低下した。
• フィールドエミッションの向上は、フィールド増幅要因の向上ではなく、二次ナノチューブの側面に存在する有効エミッタ数の増加に起因する。