[論文レビュー] Highly enhanced field emission current density of copper oxide coated vertically aligned carbon nanotubes: Role of interface and electronic structure

M. Sreekanth, Santanu Ghosh+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 47被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、3 nmの銅被膜を有する垂直配向カーボンナノチューブ（VACNTs）を酸化させることで、場界面発光電流密度が20 mA/cm²に向上することを実証した。主な要因は、CuO–VACNT界面に形成されたCu₂Oであり、これにより電子構造が変化し、仕事関数や場強化係数の変化のみでは説明できないほど効果的に電子放出が促進される。

ABSTRACT

We report the field emission (FE) properties of Cu coated vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) before and after oxidation. The current density was found to be the maximum (20 mA/cm$^2$) for 3 nm thick Cu coated VACNTs after oxidation. The variation in conventionally monitored parameters like work function and field enhancement factor does not explain the experimentally determined FE current density. A critical analysis of the electronic structure reveals the importance of presence of Cu$_2$O at the interface of CuO and VACNTs, which in turn controls the current density of these films. The highly enhanced FE current density of 3 nm Cu coated VACNTs after oxidation suggests its potential as a next generation electron source in vacuum microelectronic devices.

研究の動機と目的

• 酸化処理の前後におけるCu被膜VACNTsの場界面発光（FE）特性を調査すること。
• 従来のパラメータ（仕事関数や場強化係数など）では説明できない、予期せぬ高いFE電流密度の物理的起源を特定すること。
• 特にCu₂Oの形成が、電子放出を強化する界面電子構造の役割を理解すること。
• 酸化されたCu被膜VACNTsが、真空マイクロエレクトロニクス素子用の高性能電子源としての可能性を評価すること。

提案手法

• 垂直配向カーボンナノチューブ（VACNTs）を製造し、物理蒸着法を用いて3 nmの銅被膜を形成した。
• 制御された条件下でCu被膜を酸化し、銅酸化物相（CuOおよびCu₂O）を形成した。
• 高真空下で標準的な平面ダイオード構造を用いて場界面発光電流密度を測定した。
• X線光電子分光法（XPS）を用いて界面における銅の化学状態を特定し、電子構造を分析した。
• 実験的場界面発光データと界面電子構造および電荷移動メカニズムの理論的解析を照合した。
• 酸化の有無による発光性能を比較し、Cu₂O形成の役割を隔離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化処理後、仕事関数や場強化係数の変化が顕著でないにもかかわらず、なぜCu被膜VACNTsの場界面発光電流密度が顕著に向上するのか？
• RQ2 CuO–VACNT界面におけるCu₂O相が、電子放出をどのように調整しているのか？
• RQ3 金属–カーボンナノチューブ界面における電子構造が、場界面発光効率にどのように影響するのか？
• RQ4 観察された向上は、界面電荷移動またはバンドアライメント効果に起因するのか？
• RQ5 酸化後に場界面発光電流密度を最大にする最適なCu厚さは何か？

主な発見

• 酸化処理後の3 nm Cu被膜VACNTsで、最大20 mA/cm²の場界面発光電流密度が達成され、未酸化または厚いCu被膜を有する試料に比べ顕著に上回った。
• CuOとVACNTsの界面に存在するCu₂Oが、電流密度の向上を可能にする主要因であり、バルクのCuOや金属的Cuとは異なる。
• 従来の場界面発光パラメータ（仕事関数や場強化係数）では、観察された電流密度の向上を説明できず、非伝統的メカニズムが関与していることを示唆した。
• 電子構造分析から、Cu₂Oが界面を横切る効率的な電子移動を促進し、発光効率を向上させることを明らかにした。
• Cu被膜の酸化により界面電子環境が変化し、電子トンネルおよび発光に有利な状態が形成された。
• 3 nmのCu厚さが、導電性と界面工学の最適なバランスを提供し、酸化後の発光性能を最大にした。