Cátodos frios de filmes híbridos grafeno/nanodiamante obtidos por CVD com modulação temporal

Abstract

Os objetivos principais deste trabalho são a produção de nanoestruturas híbridas de carbono compostas por grafeno e agregados de diamante nanocristalino, bem como a sua caracterização estrutural, morfológica e como cátodos frios. Estas estruturas híbridas poderão ter um interesse tecnológico muito elevado uma vez que reúnem no mesmo material estruturas de carbono com propriedades físicas muito distintas. Entre as várias aplicações possíveis destes híbridos destaca-se a sua utilização na fabricação de dispositivos baseados na emissão de eletrões por efeito de campo (Field Emission Devices - FEDs). Para cumprir os objetivos do trabalho fez-se a síntese simultânea do grafeno com agregados de diamante nanocristalino (NCD) utilizando a técnica de deposição química em fase de vapor ativada por micro-ondas (MPCVD) e explorou-se o método de fluxo pulsado para controlar a quantidade de metano e desta forma a densidade e tamanho dos agregados. Os substratos utilizados são de Cu policristalino sobre os quais se cresceu um filme fino de grafeno com agregados de NCD. As estruturas desenvolvidas foram caracterizadas recorrendo à microscopia eletrónica de varrimento e à espetroscopia de Raman. Foi ainda avaliada a densidade de corrente em função do campo elétrico da emissão eletrónica por efeito de campo de todas as amostras sintetizadas. Os resultados obtidos demonstraram que é possível crescer em simultâeo os dois tipos de alótropos de carbono (agregados de NCD e grafeno) e que é possível controlar o diâmetro e a densidade de agregados de NCD. Em particular, detetou-se experimentalmente o aumento da densidade e diâmetro de agregados em função de número de ciclos, o aumento da densidade de agregados e diminuição do seu diâmetro tanto em função do tempo de CH4 (tempo do On) como do valor do seu fluxo. O estudo da emissão por efeito de campo mostrou uma correlação entre a densidade de agregados e a densidade de corrente elétrica, tendo-se atingido valores da ordem dos 10-5 A/cm2. É de notar que se detetou uma diminuição no campo elétrico de ativação e um aumento na densidade máxima de corrente com o nº de ciclos e com o tempo de CH4 introduzido na síntese. Por outro lado, observou-se um aumento do fator de amplificação de campo em função do nº de ciclos e a sua diminuição em função de tempo de CH4. O estudo efetuado neste trabalho revelou que este híbrido tem um bom potencial para ser usado como cátodo frio, nomeadamente no que concerne à corrente máxima de emissão. Contudo, o desenvolvimento de um dispositivo com base neste material requer ainda um processo de otimização.

The main objectives of this work are the production of a hybrid carbon nanostructure composed by graphene and monocrystalline diamond clusters along with their structural and morphological characterization and as a cold cathode. This hybrid structure may have a very large technological interest since it congregates on the same material phases with very different physical properties. Among the many possible applications for this hybrid the manufacture of Field Emission Devices (FEDs) stands out. To fulfill the work objectives, the simultaneous synthesis of graphene with nanocrystalline diamond clusters (NCD) was done using the chemical vapor deposition technique activated by microwave plasma CVD (MPCVD) and the pulsed flow method was explored for controlling methane delivery. The used substrates were polycrystalline Cu on which it was deposited a thin film of graphene with NCD clusters. The developed structures were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. The field emission current density was measured as a function of the electric field for all synthetized samples. The results demonstrated that it is possible to grow simultaneously the two types of carbon allotropes (NCD clusters and graphene) and to control the diameter and density of NCD. In particular, it was experimentally detected an increase of both clusters’ density and diameter with the number of cycles. Alongside, an increase of clusters´ density and a decrease of clusters´ diameter were observed with CH4 duty cycle and total flow. The study of field emission puts in evidence a correlation between the clusters density and the emission current, attaining densities in the order of 10-5 A/cm2. It is noteworthy a decrease of the activation current electric field and an increase of the current´s density maximum value with the number of cycles and CH4 duty cycle. On the other hand, the field enhancement factor was observed to increase with the number of cycles and to decrease with the methane duty cycle. The study undertaken in this work revealed that this hybrid has a high potential to be used as cold cathode, namely in what concerns the maximum emission current. However, a full development of a device based on this hybrid material still requires a process optimization.