5 Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок
При приложении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит интенсивная эмиссия электронов. Подобное явление называют полевой эмиссией. Этот эффект, в частности, наблюдается, если прикладывать небольшие напряжения между двумя параллельными металлическими электродами, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок (рисунок 9).
Рисунок 9 – Полевой эмиттер с углеродными нанотрубками: 1 – нанотрубка, 2 – изолирующий слой, 3 – управляющая сетка, 4 экран с люминофором
Большое количество нанотрубок оказываются перпендикулярными электроду, что позволяет наблюдать полевую эмиссию. Одно из применений этого эффекта состоит в совершенствовании плоских капельных дисплеев. Мониторы телевизоров и компьютеров используют управляемую электронную пушку для облучения люминесцентного экрана, испускающего свет требуемых цветов. В настоящее время некоторые фирмы ведут разработки плоских дисплеев, использующих электронную эмиссию углеродных нанотрубок. Тонкие пленки нанотрубок помещают на слой с управляющей электроникой и покрывают сверху стеклянной пластиной, покрытой слоем люминофора.
Устройство дисплея с использованием нанотрубок и люминофора показано на рисунке 10. В дисплее два электрода – катод и анод. Катод содержит нанотрубки, из которых происходит эмиссия электронов. При смене полярности напряжения эмиссия не происходит. Вольтамперная характеристика дисплея соответствует характеристике диода. Для получения цветных дисплеев используют специальные люминофоры. Для воспроизведения красного цвета поверхность анода содержит частицы Y2O3:Eu, зеленого - ZnS:Cu, голубого - ZnS:Ag,Cl толщиной 6-10 мкм.
Рисунок 10 – Схема дисплея, в котором используется автоэлектронная эмиссия из нанотрубок
Другим примером использования электронной эмиссии нанотрубок служит возможное производство катодолюминесцентных осветительных ламп. Традиционно источником электронов для получения люминесценции служит горячий катод, обладающий термоэлектронной эмиссией, что неизбежно ведет к увеличению энергопотребления и усложняет конструкцию. Этих недостатков можно избежать употреблением холодного катода, включающего нанотрубки. Одним из примеров такого устройства служит люминесцентная лампа (рисунок 11).
В этой лампе катод имеет цилиндрическую форму. Подложкой для углеродных нанотрубок служит проволока диаметром 1 мм и длиной 7 см из сплава Fe-Al-Cr. На нее нанесены многослойные углеродные нанотрубки изогнутой формы диаметром 20 нм.
Рисунок 11 – Схема цилиндрической люминесцентной лампы с катодом на основе нанотрубок
Цилиндрический анод радиусом 2,1 см и длиной 5 см помещен в вакуумную камеру при давлении 10-10 бар. Эмиссия следует зависимости Фаулера-Нордгейма с работой выхода электрона около 5эВ и коэффициентом полевого усиления 23 000. Полученный эмиттер использовался в качестве люминесцентной осветительной лампы. Анодом служила цилиндрическая стеклянная трубка, покрытая изнутри люминофором. При напряжении на лампе 5,4 кВ плотность тока на аноде составляла 0,06 мА/см2. При этом яркость свечения составила 10 000 кд/м2, что сопоставимо с параметрами коммерческих люминесцентных ламп. Однако источник света из углеродных нанотрубок не содержит экологически вредной ртути, быстро разгорается и легко гасится. Катоды на основе углеродных нанотрубок используются также и для генерации рентгеновского излучения.
В телевизорах нового поколения Appled Nanotech используются нанотрубки в качестве источников света для замены ламп подсветки в ЖК телевизорах с большой диагональю (40-60 дюймов). Также созданы лампы подсветки, использующие технологию печати чернилами на основе нанотрубок. В отличие от обычных ламп здесь используются фосфорсодержащие покрытия и катод, в буквальном смысле напечатанный чернилами на основе металлической краски и собственных нанотрубок. Лампа подсветки для 32-дюймовых телевизоров потребляет 50-60 Вт.
Чтобы с помощью автоэлектронной эмиссии получить изображение, на аноде закрепляют люминофор. Электронный удар возбуждает молекулы люминофора, которые затем переходят в основное состояние, излучая фотоны. Например, при использовании в качестве люминофора сульфида цинка с добавками меди и алюминия наблюдается зеленое свечение, а при добавлении серебра – синее. Красный цвет получают с помощью легированного европием оксида иттрия.