Improvement of Electron Emission Characteristics and Emission Stability from Metal-coated Carbon Nanotubes

Metal coating with several nanometer thickness was applied on the carbon nanotubes (CNTs) in order to improve electron emission characteristics and emission reliability for the potential applications in the area of various electron sources and displays. CNTs were grown on the 2-nm thick Invar (52% Fe, 42% Ni, 6% Co alloy)-catalized Si substrate by using plasma-enhanced chemical vapor deposition at $450^{\circ}C$. In order to reduce the spatial density of densely packed CNTs, as-grown CNTs were partly etched back by $N_2$ plasma and subsequently coated with 5~150 nm thick Ti by a sputtering method. 5 nm thick Ti-coated CNTs produced four times higher emission current density at the electric field of 6 V/${\mu}m$ and much lower emission current fluctuation, compared with the as-grown CNTs. These improved emission properties are mainly due to not only the work function of Ti (4.3 eV) lower than that of pristine CNTs (5 eV), but also lower contact resistance and better adhesion between CNT emitters and substrate accomplished by Ti coating.

금속 코팅된 탄소나노튜브의 전계 방출 특성 및 신뢰성 향상

각종 전자 방출원 및 디스플레이 응용 분야에서 뛰어난 가능성을 보이고 있는 탄소나노튜브의 전계 방출 특성을 개선하고 전자방출의 신뢰성을 개선하기 위해 탄소나노튜브의 표면에 수 nm 두께의 금속 코팅을 적용하였다. 탄소나노튜브는 실리콘 기판위에 2 nm 두께의 Invar (52% Fe, 42% Ni, 6% Co alloy) 촉매를 사용하여 $450^{\circ}C$의 온도에서 플라즈마 화학기상 증착법으로 성장시켰다. 성장된 탄소나노튜브의 밀도 제어를 위해 성장 후 질소 플라즈마로 일부를 식각한 후 티타늄(Ti) 금속을 탄소나노튜브 표면에 5~150 nm 두께로 스퍼터링 증착하였다. 5 nm로 티타늄을 탄소나노튜브 표면에 코팅한 경우, 코팅 전에 비해 6 V/${\mu}m$의 전계에서 전류밀도가 4배 이상 증가되었으며, 전계 방출 전류의 요동(fluctuation) 또한 40% 이상 감소됨을 확인할 수 있었다. 이는 티타늄의 일함수가 4.3 eV로 탄소나노튜브의 5 eV에 비해 작을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브의 약점으로 지적되는 기판과의 접착성과 접촉저항이 티타늄의 표면 코팅으로 인해 크게 개선된 결과로 판단된다.