Одним из перспективных направлений нанотехнологии является создание устройств, в основе работы которых лежит явление автоэлектронной эмиссии. Автоэлектронная эмиссия – это уникальный квантово-механический эффект, который возникает при воздействии на заземлённый проводник внешнего электрического поля. В отсутствии внешнего электрического поля, в металлах и полупроводниках, для электронов проводимости имеется потенциальный барьер. Его высота определяется, как работа выхода электрона и обычно составляет несколько eV, что на 1 – 2 порядка превышает энергию описываемых свободных электронов при комнатной температуре. Суть явления автоэлектронной эмиссии заключается в том, что при наложении электрического поля, становится возможным квантово-механический туннельный эффект, при котором электроны проводимости получают возможность выхода за пределы материала. Также, при наложении поля, уменьшается высота потенциального барьера. Учитывая этот факт и вероятность преодоления потенциального барьера в процессе туннелирования очевидно, что возникающий в результате описанного явления эмиссионный ток является резко возрастающей функцией приложенного напряжения. Так как явление автоэлектронной может происходить при низких температурах, то его также называют эмиссией холодного катода. Возможность использования низких температур является одним из достоинств данного явления.
Благодаря описанным выше особенностям, создание различных электронных приложений, в основе которых лежит явление автоэлектронной эмиссии, является перспективным направлением. Развитие нанотехнологии, а в частности, появление возможности создания, исследования и внедрения в устройства наноструктур повысило интерес учёных к разработке и развитию приложений связанных с эмиссией холодного катода. Различные теоретические расчёты и экспериментальные данные подтверждают, что одномерные наноструктуры проявляют более высокие эмиссионные свойства, по сравнению с традиционно используемыми автоэмиссионными катодами, изготовленными на основе макроскопических металлических острий. Одними из наиболее перспективных наноструктур в данной области являются углеродные нанотрубки (CNT). Однако полупроводниковые нанокристаллы ZnO являются потенциальной альтернативой CNT для получения автоэлектронной эмиссии. Используя различные методы, были получены ZnO наноструктуры с разнообразными свойствами. Было продемонстрированно, что изменение формы и морфологии нанокристаллов, а также легирование их различными металлами значительно улучшает их эмиссионные свойства. Схематическое изображение устройства холодного катода с 1-D наноструктурами в качестве рабочего элемента, приведено на рисунке.
Принципиальная схема устройства холодного катода
В настоящее время ведутся активные работы по созданию таких устройств на основе явления автоэлектронной эмиссии, как например катоды газоразрядных устройств, источники рентгеновского излучения, катодолюминесцентные осветительные лампы, плоские дисплеи и многие другие. Плоские дисплеи на холодных катодах являются одними из наиболее ожидаемых мультимедийных приложений, так как вероятно, что они будут иметь множество преимуществ перед их существующими аналогами. В этом направлении уже достигнут определённый прогресс некоторыми научными группами.
Один из первых дисплеев на основе CNT
Сравнение двух дисплеев работающих на основе эмиссии электронов, с разным принципом построения изображения