Структурные и автоэмиссионные характеристики углеродсодержащих катодов

Проведено сопоставление автоэмиссионных и структурных характеристик поверхностей ряда углеродсодержащих, в том числе и наноструктурированных материалов, перспективных для использования при создании автокатодов со стабильными эмиссионными характеристиками. Исследовались волокна из углеродных нанотрубок (УНТ-волокно), полиакрилонитрильные волокна, образцы пиролитического графита и мелкозернистого плотного графита (МПГ-6). Структура поверхности образцов исследовалась до и после их работы в качестве автокатода с использованием оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Эти результаты сопоставлялись с вольтамперными характеристиками соответствующих катодов. Оптическая и электронная микроскопия показали наличие крупномасштабных, а анализ спектров комбинационного рассеяния (СКР) – мелкомасштабных структурных перестроек катода и поверхности его материалов в процессе автоэмиссии. В спектральном диапазоне от 1000 до 2000 см^–1 в СКР кроме стандартно наблюдаемых характерных для углеродсодержащих материалов линий с максимумами частот в диапазонах 1363…1374 см^–1 (линия D), 1581…1599 см^–1 (линия G), 1619…1626 см^–1 (линия D') обнаружена линия в интервале 1450…1480 см^–1 для пиролитического графита и УНТ-волокна – до и после эксплуатации, а для МПГ-6 – после эксплуатации этих материала в качестве автокатодов. Обсуждены изменения в СКР относительной интегральной интенсивности линии D, которая увеличивается для пиролитического графита и УНТ-волокна и уменьшается для МПГ-6 в процессе их эксплуатации в качестве автокатодов. Величина относительной интегральной интенсивности линии D использована для оценок размеров кристаллитов и их изменений в ходе автоэмиссии, что обосновывает возможность использования СКР для контроля структуры поверхности углеродсодержащих материалов и анализа связи структуры поверхности и ее эмиссионных характеристик. Обсуждены перспективы улучшения автоэмиссионных характеристик углеродсодержащих катодов.

1. Jmerik V, Kozlovsky V, Wang X. Electron-beampumped UVC emitters based on an (Al,Ga)N material system. Nanomaterials. 2023;13:1-42. DOI:10.3390/nano13142080

2. Bugaev AS, Kireev VB, Sheshin EP, Kolodyazhnyj AJ. Cathodoluminescent light sources: status and prospects. Physics-Uspekhi. 2015;58(8):792818. DOI:10.3367/UFNe.0185.201508e.0853

3. Bugaev AS, Eroshkin PA, Romanko VA, Sheshin EP. Low-power X-ray tubes (the current state). Physics-Uspekhi. 2013;56(7):691-703. DOI:10.3367/UFNe.0183.201307c.0727

4. Kireev VB, Sheshin EP. Nanomaterials for effective auto-emission cathodoluminescent disinfecting light sources. Scienceosphere. 2022;4(1):1-12. DOI:10.5281/zenodo.6390489 (In Russ.)

5. Taikin AYu, Savichev IA, Popov MA, Anokhin EM, et al. Comparison and analysis of field emission characteristics of carbon cathodes based on PAN fiber and CNT filaments. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2022;7(1):46-57. DOI:10.17277/jamt.2022.01.pp.046-057

6. Kireev VB, Sheshin EP. Field emission cathodoluminescent lamps: II. Nanostructured materials for field emission cathodes. In Malkova MYu. (ed.) Engineering systems-2022: Proceedings of the International Conference. Engineering Systems-2022, 6-8 April 2022, Moscow,Russia. Peoples' Friendship University of Russia; 2022. p.56-66. (In Russ.)

7. Belov KN, Berdnikov AS, Kireev VB, Kundikova ND, et al. Raman spectra of carbon materials used as cathodes of field emission radiation sources. Bulletin of SUSU. Series “Mathematics. Mechanics. Physics”. 2023;15(2):230206(41-47) DOI:10.14529/mmph230206 (In Russ.)

8. Wojdyr M. Fityk: A general-purpose peak fitting program. Journal of Applied Crystallography. 2010;43:1126-1128. DOI: 10.1107/S0021889810030499

9. Jawhari T, Roid A, Casado J. Raman spectroscopic characterization of some commercially available carbon black materials. Carbon. 1995;33(11):1561-1565.

10. Bokobza L, Bruneel J-L, Couzi M. Raman spectroscopy as a tool for the analysis of carbon-based materials (highly oriented pyrolitic graphite, multilayer graphene and multiwall carbon nanotubes) and of some of their elastomeric composites. Vibrational Spectroscopy. 2014;74:57-63. DOI:10.1016/j.vibspec.2014.07.009

11. Komlenok M, Kurochitsky N, Pivovarov P, Rybin M, Obraztsova E. Field electron emission from crumpled CVD graphene patterns printed via laser-induced forward transfer. Nanomaterials. 2022;12(11):1-8. DOI:10.3390/nano12111934

12. Panapoy M, Dankeaw A, Ksapabutr B. Electrical conductivity of PAN-based carbon nanofibers prepared by electrospinning method. Thammasat International Journal of Science and Technology. 2008;13:11-17.

13. Dyachkova TP, Khan YA, Burakova EA, Galunin EV, et al. Characteristics of epoxy composites containing carbon nanotubes/graphene mixtures. Polymers (Basel). 2023;15(6):1-20. DOI:10.3390/polym15061476

14. Pimenta MA, Dresselhaus G, Dresselhaus MS, Cançado LG, et al. Studying disorder in graphite-based systems by Raman spectroscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 2007;9:1276-1290. DOI:10.1039/B613962K

15. Keszler AM, Nemes L, Ahmad SR, Fang X. Characterisation of carbon nanotube materials by Raman spectroscopy and microscopy – A case study of multiwalled and singlewalled samples. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2004;6:2691274.

16. Hayashida K, Nagaoka S, Ishitani H. Growth and oxidation of graphitic crystallites in soot particles within a laminar diffusion flame. Fuel. 2014;128:148-154. DOI:10.1016/j.fuel.2014.03.008

17. Malard M, Pimenta MA, Dresselhaus G, Dresselhaus MS. Raman spectroscopy in graphene. Physics Reports. 2009;473:51-87. DOI:10.1016/j.physrep.2009.02.003

18. Gorelik VS, Sushchinskiĭ MM. Raman scattering of light in crystals. Soviet Physics Uspekhi. 1969;12:399-429. DOI:10.1070/PU1969v012n03ABEH003897

19. Kudelski A. Analytical applications of Raman spectroscopy. Talanta. 2008;76(1):1-8. DOI:10.1016/j.talanta.2008.02.042

20. Gorelik VS, Skrabatun AV, Bi D. Raman scattering of light in diamond microcrystals. Crystallography Reports. 2019;64:428-432. DOI:10.1134/S106377451903009X

21. Moris-Muttoni B, Raimbourg H, Champallier R, Augier R, et al. The effect of strain on the crystallinity of carbonaceous matter: Application of Raman spectroscopy to deformation experiments. Tectonophysics. 2023;869(230126):1-24. DOI:10.1016/j.tecto.2023.230126

22. Gibson RF, Ayorinde EO, Wen Y.-F. Vibrations of carbon nanotubes and their composites: A review. Composites Science and Technology. 2007;67(1):1-28. DOI:10.1016/j.compscitech.2006.03.031

23. Saito Y, Uemura S. Field emission from carbon nanotubes and its application to electron sources. Carbon. 2000;38(2):169-182. DOI: 10.1016/S0008-6223(99)00139-6

24. Wang ZL, Gao RP, De Heer WA, Poncharal P. In situ imaging of field emission from individual carbon nanotubes and their structural damage. Applied Physics Letters. 2002;80(5):856-858. DOI:10.1063/1.1446994

25. Silva SRP, Carey JD, Guo X, Tsang WM, Poa CHP. Electron field emission from carbon-based materials. Thin Solid Films. 2005;482(1–2):79-85. DOI:10.1016/j.tsf.2004.11.122

26. Le Normand F, Cojocaru CS, Fleaca C, Li JQ, et al. A comparative study of the field emission properties of aligned carbon nanostructures films, from carbon nanotubes to diamond. The European Physical Journal Applied Physics. 2007;38(2):15-27. DOI:10.1051/epjap:2007052

27. Kaur G, Pulagara NV, Kumar R, Lahiri I. Metal foam-carbon nanotube-reduced graphene oxide hierarchical structures for efficient field emission. Diamond and Related Materials. 2020;106:1-10. DOI:10.1016/j.diamond.2020.107847

28. Dwivedi N, Dhand C, Carey JD, Anderson EC, et al. The rise of carbon materials for field emission. Journal of Materials Chemistry C. 2021;9(8):620-659. DOI:10.1039/d0tc05873d

29. Ma Z, Li D, Zhang H, Wurz P, et al. Study of a low-energy collimated beam electron source and its application in a stable ionisation gauge. Vacuum. 2023;215:1-7. DOI:10.1016/j.vacuum.2023.112302

30. Xiao D, Du H, Sun L, Suo X, et al. Boosting the electron beam transmittance of field emission cathode using a self-charging gate. Nature Communications. 2024;15(764):1-10. DOI:10.1038/s41467-024-45142-0