ИСТИНА

Углеродные наноструктуры острийной и лезвийной формы привлекают внимание возможностью создания на их основе высокоэффективных источников электронов для использования в разнообразных вакуумных электронных устройствах. В ходе прикладных разработок в этой области был обнаружен ряд проблем, имеющих фундаментальное научное значение как для понимания процессов формирования наноструктурированных форм углеродных материалов, особенностей их структурных и физических свойств, так и для выявления механизмов, определяющих генерацию и транспорт носителей заряда в таких материалах, а также прохождение электронов через внутренние потенциальные барьеры и через барьер на поверхности раздела с вакуумом. Особый интерес с фундаментальной научной и практической точек зрения представляет изучение эффектов, связанных с воздействием света на процессы эмиссии электронов. Такие эффекты могут иметь различную природу для материалов с графено- и алмазо- подобной атомной структурой. Сверхбыстрая динамика носителей заряда и особенности электрон-фононного взаимодействия в материалах на основе графена (одно- и много-слойный графен, углеродные нанотрубки и наносвитки и т.п.) приводят к возможности селективного возбуждения электронной подсистемы без передачи энергии кристаллической решетке. Это приводит к существенному увеличению (до трех порядков по величине) эффективности электронной эмиссии при воздействии коротких световых (лазерных) импульсов. В алмазных структурах индуцированная оптическим излучением эмиссия электронов может быть обусловлена генерацией носителей заряда при поглощении света в результате межзонных переходов и/или процессов с участием внутризонных уровней энергии, обусловленных дефектами и примесями. Кроме этого в наноразмерных образованиях возрастает роль эффектов, связанных с формированием углерод-углеродных гетероструктур графен-алмаз и алмаз-графен. Наличие таких гетероструктур может проявляться в виде резонансных эффектов, значительно увеличивающих вероятность туннелирования электронов, а также способствующих появлению проводимости в широкозонном алмазе. Эти эффекты (некоторые из которых были обнаружены ранее коллективом заявителей по данному проекту) требуют дальнейшего изучения с целью определения их механизмов и разработки научных основ для их практического использования. Необходимым условием такого исследования является дальнейшее изучение и оптимизация процессов формирования наноуглеродных материалов, изучение их структурных и физических свойств. В связи с этим для решения основной цели проекта, состоящей в изучении фотоиндуцированных эффектов в эмиссии электронов из наноуглеродных структур, необходимо решение следующих задач: изучение процессов формирования углеродных наноструктур различного типа; изучение структурно-морфологических характеристик и физических свойств полученных углеродных наноструктур; изучение электронной эмиссии из катодов, изготовленных на основе полученных углеродных наноструктур, включая зависимость эмиссии от воздействия света; разработка научных основ практического использования создаваемых наноуглеродных катодов и фотоиндуцированной эмиссии электронов. Каждая из перечисленных задач подразумевает экспериментальные и теоретические исследования, направленные на выявление механизмов изучаемых явлений и оптимизацию практических методов. Предлагаемые в проекте исследования носят междисциплинарный характер, включающий изучение вопросов, относящихся к нанотехнологиям и наноматериалам, электронике, фотонике, физике конденсированного состояния вещества, оптике, лазерной физике и др. Сформулированные цели и задачи проекта обладают высокой степенью научной новизны, актуальности и практической значимости. Заявители проекта имеют существенные научно-технические заделы для реализации предлагаемой программы исследований.

Needle and blade shaped carbon nanostructures attract attention due to potential ability for creation of highly efficient sources of electrons for a variety of vacuum electronic devices. A number of problems having fundamental scientific value for understanding nanostructured forms of carbon materials formation processes and for revealing of mechanisms responsible for generation and transport of electrons and their tunneling through a potential barrier at the interface with vacuum were identified during research and developments in this field. Study of effects associated with influence of light on electron emission processes has special interest from fundamental scientific and practical points of view. These effects can be of a different nature for materials with graphene- and diamond-like atomic structure. Superfast dynamics of charge carriers and electron-phonon interaction peculiarities in graphene-based materials (single- and multi-layer graphene, carbon nanotubes, nano scrolls, etc.) lead to the possibility of selective excitation of electron sub-system without energy transfer to crystal lattice. This leads to a significant increase (up to three orders of magnitude) in efficiency of electron emission under action of short light (laser) pulses. In diamond structures, emission of electrons induced by optical radiation can be due to generation of charge carriers upon absorption of light as a result of interband transitions and / or processes involving intraband energy levels existing due to defects and impurities. In addition effects associated with formation of carbon-carbon heterostructures of graphene-diamond and diamond-graphene are increased in nanoscale objects. The presence of such heterostructures can be manifested in form of resonance effects that significantly increase probability of electron tunneling, and also contribute to appearance of conductivity in wide-band-gap diamond. These effects (which were found in previous studies performed by the team of applicants for this project) require further study to determine their mechanisms and develop scientific bases for their practical use. A necessary condition for such a study includes analysis and optimization of the processes of formation of nanocarbon materials, investigation of their structural and physical properties. In this regard, to achieve the main goal of the project, which consists in revealing and analysis of photoinduced effects in electron emission from nanocarbon structures, it is necessary to solve the following tasks: study of formation processes of carbon nanostructures of various types; study of structural and morphological characteristics and physical properties of obtained carbon nanostructures; study of electron emission from cathodes made on the basis of obtained carbon nanostructures, including dependence of the emission on light radiation; development of scientific principles for practical use of created nanocarbon cathodes and photoinduced electron emission. Each of these tasks implies experimental and theoretical research aimed at identifying the mechanisms of the phenomena being studied and optimizing practical methods. The studies proposed in the project are interdisciplinary in nature, including study of issues related to nanotechnology and nanomaterials, electronics, photonics, condensed matter physics, optics, laser physics, etc. The formulated goals and objectives of the project have a high degree of scientific novelty, relevance and practical significance. The project applicants have significant scientific and technical resources and background for the implementation of the proposed research program.

Основные ожидаемые результаты при выполнении данного проекта состоят в получении новых фундаментальных знаний о физике явлений, связанных с эмиссией электронов из углеродных наноструктур под воздействием оптического излучения. Предполагается, что наряду со специфическими для наноуглеродных структур особенностями получаемые данные позволят выявить и более общие (с точки зрения физики конденсированного состояния вещества) закономерности. В ходе выполнения запланированных исследований будут разработаны новые методы создания наноуглеродных материалов с воспроизводимыми характеристиками, проведена всесторонняя диагностика структурно-морфологических параметров этих материалов, а также взаимосвязи их параметров с условиями получения, будут созданы новые экспериментальные стенды и методики для изучения эмиссии электронов при воздействии оптического излучения. Также будут разработаны феноменологические, численные и теоретические модели, объясняющие механизмы наблюдаемых явлений. Будут предложены методы практического использования изученных явлений, принципы создания новых разновидностей электронно-оптических наноустройств и нанотехнологий. ики, нанотехнологий.

Имеющийся у научного коллектива заявителей научный и технический задел по проекту включает: 1. Методы и оборудование, обеспечивающие получение углеродных материалов в виде пленок, состоящих из алмазных и графитных кристаллитов, углеродных нанотрубок, углеродных свитков, много- и одно-слойного графена, а также их композитов. Методики, позволяющие выделение из состава пленочного материала отдельных кристаллитов и структур и закрепление их на массивных держателях. 2. Методики исследования структурных и физических свойств углеродных материалов с помощью электронной микроскопии, комбинационного рассеяния света, ИК и оптической спектроскопии, фото- и катодо-люминесценции и др. 3. Методики и оборудование для исследования электронной эмиссии, обеспечивающие возможность изучения многоэмиттерных катодов (измерение вольт-амперных характеристик и распределения эмиссионных центров), а также изолированных эмиттеров (точечных катодов) с помощью сканирующего анода. 4. Коллектив исполнителей располагает опытом разработки и создания прототипов вакуумных электронных приборов и катодно-сеточных узлов различного назначения. 5. Особую важность для реализации данного проекта имеют научные заделы коллектива исполнителей в области изучения фото-индуцированных явлений в эмиссии электронов из углеродных материалов.