[논문 리뷰] Enhanced field emission from multiwall carbon nanotube films by secondary growth

Christian Klinke, Erik Delvigne외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 04. 28.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 25인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 2차 화학기상법(CVD)을 통해 주형 CNT 필름의 측면벽에 2차 다층벽 카bon 나노튜브(MWCNTs)를 성장시켜, 전자 방출 성능을 크게 향상시킨다. 니켈 또는 페리틴을 촉매로 사용할 경우, 2차 나노튜브가 주형 나노튜브에 형성되어, 필드 증폭 요소를 변화시키지 않은 채 효과적인 방출자 밀도를 높이고 전류 밀도 및 균일성을 향상시킨다. 이는 더 많은 방출자가 애노드 쪽을 햖을 때 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플랫 패널 디스플레이 및 전자원과 같은 응용 분야에서 CNT 필름의 전자 방출 효율성과 균일성을 향상시키기 위해.
• 주형 MWCNTs를 장식하는 데서 금속 촉매(Ni 대 Au)의 역할과 열적 진화 행동을 조사하기 위해.
• 주형 나노튜브의 측면벽에 직접 2차 나노튜브를 성장시켜 효과적인 방출자 밀도를 증가시키는 방법을 개발하기 위해.
• 2차 나노튜브를 Ni 또는 페리틴 촉매로 성장시킨 CNT 필름과 주형 CNT 필름 간의 전자 방출 성능을 비교하기 위해.
• 2차 나노튜브의 형상 및 분포가 전자 방출 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• C2H2 기체를 사용해 660 °C에서 CVD를 통해 페리틴 또는 페리산 질산염을 촉매로 사용해 주형 MWCNTs를 합성하였다.
• 주형 CNTs에 니켈 또는 금속 코팅을 스퍼터링(명목 두께 5–15 nm)하거나, 금을 도금하여 촉매를 도핑하였다.
• 페리틴 용액을 CNTs에 코팅하여 2차 핵형성 유도 후 재-CVD를 통해 2차 나노튜브를 성장시켰다.
• 저항성 히팅을 사용한 인-사이트 투과형 전자현미경(TEM)을 통해 금속 클러스터의 진화 및 나노튜브 성장을 관찰하였다.
• CNT 캐소드와 스테인리스 스틸 애노드 사이의 간격을 125 µm로 설정하고, Keithley 237 소스-측정 유닛을 사용해 전류를 측정하였다.
• 2차 나노튜브가 존재하는지 여부에 따라 I–V 특성, 케이스 온 필드(Eto), 임계 필드(Eth)를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온과 고온에서 Ni 코팅과 Au 코팅이 MWCNTs와 상호작용하는 방식은 어떻게 다른가?
• RQ2 2차 나노튜브 성장이 전자 방출 전류 밀도 및 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 필드 증폭 요소가 증가하지 않는 상황에서 2차 나노튜브 성장이 왜 전자 방출 성능을 향상시키는가?
• RQ4 촉매 종류(Ni 대 페리틴)와 나노튜브 형상이 2차 나노튜브 성장의 균일성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 2차 나노튜브가 존재할 경우, 주형 나노튜브의 지름이 전자 방출에 어떤 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 니켈 코팅은 MWCNTs 표면과의 상호작용이 강해 실온에서 금속 코팅이 더 균일하게 형성된다.
• 660 °C로 가열할 경우, 니켈은 나노튜브 축 방향으로 긴장된 클러스터를 형성하며 큰 접촉 면적을 가지지만, 금은 최소한의 접촉 면적을 가진 구형 클러스터를 형성한다.
• 니켈 또는 페리틴을 촉매로 사용해 주형 MWCNTs의 측면벽에 직접 2차 나노튜브를 성장시켰으며, 길이는 50–100 nm 범위였다.
• 2차 나노튜브가 존재하는 샘플의 전자 방출 성능은 뚜렷한 향상이 있었으며, 페리틴 촉매로 성장시킨 주형 CNTs의 경우, Eth가 7.9 V/µm에서 6.6 V/µm로 감소하였다.
• 페리산 질산염 촉매로 성장시킨 주형 CNTs의 경우, Eth가 >8 V/µm에서 6.7 V/µm로 감소하였고, Eto는 5.2 V/µm에서 5.0 V/µm로 감소하였다.
• 전자 방출 성능 향상의 원인은 필드 증폭 요소의 향상이 아니라, 측면벽에 존재하는 2차 나노튜브로 인해 효과적인 방출자 수가 증가했기 때문으로 기인된다.