Электроды для газового разряда на основе углеродных нанотрубок

В качестве исходного катода использовался W конус в форме заточенного карандаша, полученный в результате химического травления W проволоки диаметром 30 мкм. Радиус кривизны наконечника конуса составлял 100 нм. На вершину этого конуса с помощью магнетронной напылительной установки в течение 40с напыляли частицы никеля, используемые в качестве катализатора роста УНТ. Синтез многослойных УНТ проводили на подготовленной таким образом поверхности с использованием метода CVD в потоке NH₃ и С₂Н₂ (соотношение 3:1 при полном давлении 30 Торр и температуре 900^оС). С целью обеспечения вертикальной ориентации УНТ относительно поверхности подложки синтез проводился под действием электрического напряжения (100 В), прикладываемого к вспомогательному титановому электроду, расположенному на расстоянии 2 мм от катода. При продолжительности синтеза от 5 до 15 мин от поверхности катода отрастали нанотрубки диаметром 50 – 100 нм и длиной около 15 мкм. В качестве анода использовали плоскую стальную пластину, отстоящую от катода на расстояние 80 мкм. Для оценки коэффициента усиления электрического поля для W катода и катода на основе УНТ в условиях вакуума (10^-6 Торр) были измерены эмиссионные вольт-амперные характеристики катодов. Обработка результатов этих измерений позволила определить значения коэффициента усиления поля β, оказавшиеся равными 60 и 960, соответственно. Такая большая разница обусловлена различием в величинах аспектного отношения для двух структур катода.

Затем измеряли вольт-амперные характеристики разряда в атмосфере различных газов (He, Ar, H₂, N₂, воздух, O₂, NH₃) при давлении 10 Торр.Результаты измерений указывают на существенное улучшение характеристик разряда в случае покрытия поверхности катода нанотрубками. Так, в атмосфере Не такая модификация сопровождается снижением напряжения зажигания разряда с 230 до 181 В и увеличением разрядного тока с 12 до 20 мкА. Аналогичная закономерность наблюдается в случае заполнения межэлектродного промежутка другими газами, хотя абсолютные величины напряжения зажигания и величины разрядного тока зависят от типа газа.

Характер деградации катода на основе УНТ изучали в циклическом режиме при наложении на анод пилообразного напряжения. Результаты выполненных измерений указывают на незначительное (на уровне 4%) увеличение напряжения зажигания разряда в аргоне после 300 импульсов длительностью в несколько десятков секунд каждый. Наряду с этим отмечается примерно 10%-ное снижение разрядного тока. Несмотря на указанные тенденции, параметры разряда с УНТ катодом остаются существенно более высокими по сравнению с чисто W катодом, что указывает на высокую эффективность использования нанотрубок в катоде газового разряда.