촉매 화학 기상 증착법을 사용하여 실리콘 기판위에 수직 정렬된 직경이 얇은 다중층 탄소나노튜브의 합성과 그들의 전계방출 특성

Synthesis of vertically aligned thin multi-walled carbon nanotubes on silicon substrates using catalytic chemical vapor deposition and their field emission properties

최적화된 량의 황화수소 첨가 가스를 이용하여 실리콘 기판위에 증착된 Fe/Al 박막위에 촉매 화학 기상 증착법을 사용하여 직경이 얇은 다중층 탄소나노튜브가 수직 정렬되어 합성되었다. 주사전자현미경 관측 이미지에서 합성된 탄소나노튜브는 상대적으로 일정한 길이를 가지고 기판에 수직으로 정렬되었다. 투과전자현미경 관측에서 합성된 탄소나노튜브는 10nm 이내의 작은 외경을 가졌고 촉매가 거의 없었다. 평균 튜브의 벽 수는 약 다섯 개이다. 수직 정렬된 직경이 얇은 다중층 탄소나노튜브의 성장 메카니즘이 제시되었다. 수직 정렬된 직경이 얇은 다중층 탄소나노튜브는 $0.1\;{\mu}A/cm^2$의 전류밀도에서 약 $1.1\;V/{\mu}m$ 낮은 턴-온 전계를 나타내었고 $2.7\;V/{\mu}m$의 전계에서 약 $2.5\;mA/cm^2$의 전류밀도를 얻었다. 게다가, 수직 정렬된 직경이 얇은 다중층 탄소나노튜브는 약 $1\;mA/cm^2$의 전류밀도에서 20시간동안 전류밀도 저하 없이 좋은 전계 방출 안정성을 보여주었다.

We have succeeded in synthesizing vertically aligned thin multi-walled carbon nanotubes (VA thin-MWCNTs) by a catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method onto Fe/Al thin film deposited on a Si wafers using an optimum amount of hydrogen sulfide ($H_2S$) additive. Scanning electron microscope (SEM) images revealed that the as-synthesized CNT arrays were vertically well-oriented perpendicular to the substrate with relatively uniform length. Transmission electron microscope (TEM) observations indicated that the as-grown CNTs were nearly catalyst-free thin-MWCNTs with small outer diameters of less than 10nm. The average wall number is about 5. We suggested a possible growth mechanism of the VA thin-MWCNT arrays. The VA thin-MWCNTs showed a low turn-on electric field of about $1.1\;V/{\mu}m$ at a current density of $0.1\;{\mu}A/cm^2$ and a high emission current density about $2.5\;mA/cm^2$ at a bias field of $2.7\;V/{\mu}m$. Moreover, the VA thin-MWCNTs presented better field emission stability without degradation over 20 hours (h) at the emission current density of about $1\;mA/cm^2$.