О.Е. Глухова – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: GlukhovaOE@info.sgu.ru

Д.С. Шмыгин – ассистент,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: shmygin.dmitriy@gmail.com

М.М. Слепченков – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: slepchenkovm@mail.ru

Постановка проблемы. Благодаря высокой эмиссионной способности углеродные нанотрубки (УНТ) находят широкое применение в электронике при создании автоэмиссионных катодов.  Однако при использовании в катодах УНТ в качестве эмиттера возникает проблема, связанная с разрушением нанотрубок вследствие локального разогрева в процессе эмиссии. Для решения этой проблемы требуется поиск новых композитных материалов, содержащих в своем составе УНТ. Одним из таких материалов является колонный графен, структура которого образована слоями графена и вертикально расположенными между ними нанотрубками. Для использования колонного графена в устройствах эмиссионной электроники необходимо оценить работу выхода материала и выявить закономерности управления её величиной.    

Цель. Исследовать энергетическую устойчивость и работу выхода пленочных и 3D-структур колонного графена, модифицированного атомами калия.

Результаты. Построены суперячейки одно- и двухслойных тонких плёнок, а также 3D-структур колонного графена на основе однослойных УНТ(9,9) различной длины, меняющейся в диапазоне от 0.6 до 1.84 нм. Дана численная оценка энергетической устойчивости построенных суперячеек колонного графена, полости которого заполнены атомами калия с различной массовой долей. Выявлены закономерности изменения работы выхода исследуемых атомистических моделей колонного графена в зависимости от длины УНТ и массовой доли атомов калия. Определены геометрические параметры рассмотренных в работе структур колонного графена, при которых достигается наибольшее снижение работы выхода материала. 

Практическая значимость. Полученные в работе результаты свидетельствуют о высоких перспективах применения модифицированного калием колонного графена в качестве материала для автоэмиссионных катодов.   

1. Neto A.C., Peres N.M.R., Novoselov K.S. Geim A.K. The electronic properties of graphene // Rev Mod Phys. 2009. V. 81.
   1. 109−162. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109.
2. Avouris P., Chen Z., Perebeinos V. Carbon-based electronics // Nature Nanotechnology. 2007. V. 2(10). P. 605−15. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2007.300.
3. Hone J., Whitney M., Piskoti C., Zettl A. Thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1999. V. 59.
   1. R2514-1−R2516-3. DOI: https://doi.org /10.1103/PhysRevB.59.R2514.
4. Kim P., Shi L., Majumdar A., Mc Euen P.L. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 215502-1−215502-3. DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.215502.
5. Che J., Cagin T., Goddard W.A. Thermal conductivity of carbon nanotubes // Nanotechnology. 2000. V. 11. P. 65−69. DOI: 10.1186/1556-276X-6-610.
6. Pop E., Mann D., Wang Q. et al. Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube above Room Temperature // Nano Lett. 2006. V. 6. P. 96−100. DOI: https://doi.org/10.1021/nl052145f.
7. Memariana F., Fereidoona A., Ganjib M.D. Graphene Young’s modulus: Molecular mechanics and DFT treatments // Superlattices and Microstructures. 2015. V. 85. P. 348−356. DOI: 10.1103/PhysRevB.80.113405.
8. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene // Science. 2008. V. 321. P. 385−388. DOI: 10.1126/science.1157996.
9. Kim U., Kang J., Lee C. et al. A transparent and stretchable graphene-based actuator for tactile display // Nanotechnology. 2013. V. 24. P. 145501-1−145501-7. DOI: 10.1088/0957-4484/24/14/145501.
10. Suzuki K., Matsumoto H., Minagawa M. et al. Carbon nanotubes on carbon fabrics for flexible field emitter arrays // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. 053107. P. 1−3. DOI: 10.1063/1.2967868. DOI: 10.1063/1.2967868.
11. Yilmazoglu O., Popp A., Pavlidis D., Schneider J.J. Flexible field emitter arrays with adjustable carbon nanotube distances and bundle generation arrays // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2010. V. 28. P. 268−272. DOI: 10.1116/1.3298889.
12. Li C., Zhang Y., Mann M., Hasko D. et al. High emission current density, vertically aligned carbon nanotube mesh, field emitter array // Applied Physics Letters. 2010. V. 97. 113107. P. 1−3. DOI: 10.1063/1.3490651.
13. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaja Z.Ja. et al. Field emitter arrays on nanotube carbon structure films // Journal of Vacuum Science & Technology B. 1995. V. 13. P. 435−436. DOI: 10.1116/1.587964.
14. Мусатов А.Л., Израэльянц К.Р., Чиркова Е.Г. Влияние атомов цезия на автоэлектронную эмиссию из многостенных углеродных нанотрубок // Физика твердого тела. 2014. Т. 56. № 4. С. 806−810.
15. Gao B., Kleinhammes A., Tang X.P. et al. Electrochemical intercalation of single-walled carbon nanotubes with lithium // Chemical Physics Letters. 1999. V. 307. № 3−4. P. 153−157. DOI: 10.1016/S0009-2614(99)00486-8.
16. Израэльянц К.Р., Орлов А.П., Ормонт А.Б., Чиркова Е.Г. Влияние легирования атомами цезия и калия многостенных углеродных нанотрубок, выращенных в электрической дуге, на их эмиссионные характеристики // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 4. С. 819−824.
17. Kim J.-P., Chang H.-B., Kim B.-J., Park J.-S. Enhancement of electron emission and long-term stability of tip-type carbon nanotube field emitters via lithium coating // Thin Solid Films. 2013. V. 528. P. 242−246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.08.060.
18. Varshney V., Patnaik S.S., Roy A.K. et al. Modeling of Thermal Transport in Pillared-Graphene Architectures // ACS NANO. 2010. V. 4. 2. P. 1153−1161. DOI: 10.1021/nn901341r.
19. Lee J., Varshney V., Brown J.S. et al. Single mode phonon scattering at carbon nanotube-graphene junction in pillared graphene structure // APL. 2012. V. 100. 183111. P. 1−4.
20. Yang Y., Kim N.D., Varshney V. et al. In situ mechanical investigation of carbon nanotube-graphene junction in threedimensional carbon nanostructures // Nanoscale. 2017. V. 9. P. 2916−2924. DOI: 10.1039/c6nr09897e.
21. Lin J., Zhong J., Bao D. et al. Supercapacitors Based on Pillared Graphene Nanostructures // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012. V. 12. № 3. P. 1770−1775. DOI: 10.1166/jnn.2012.5198.
22. Wang W., Ozkan M., Ozkan C.S. Ultrafast high energy supercapacitors based on pillared graphene nanostructures // Journal of Materials Chemistry A. 2016. V. 4. P. 3356−3361. DOI: 10.1039/c5ta07615c.
23. Глухова О.Е., Колесникова А.С., Слепченков М.М., Шмыгин Д.С. Атомная структура энергетически устойчивых композитов углеродные нанотрубки/графен // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 5. С. 994−998.
24. Elstner M., Porezag D., Jungnickel G. et al. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Physical Review B. 1998. V. 58. № 11. P. 7260−7268. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260.
25. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // Journal of Chemical Physics. 2000. V. 112. № 14. P. 6472−6286. DOI: https://doi.org/10.1063/1.481208.
26. Brenner D.W., Shenderova O.A., Harrison J.A. et al. A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons // Journal of Physics: Condensed Matter. 2002. V. 14. P. 783−802. DOI: https://doi.org/10.1088/09538984/14/4/312.