Теленанопушки зарядили медью

Исследователи из Университета американского штата Иллинойс разработали методику выращивания нанопроводов меди на различных поверхностях, которые могут найти свое применение в создании плоских дисплеев с автоэлектронной эмиссией – так называемых FED-дисплеев (от английского field-emission display). Эта перспективная технология способна вдохнуть новую жизнь в плоские дисплеи. Она позволяет получить более детальную, яркую и насыщенную картинку; кроме того, такие мониторы отличаются безынерционностью.

Такие мониторы чем-то похожи на старые телевизоры с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) – здесь свечение экрана также вызывается бомбардировкой люминофорного покрытия потоком электронов, испускаемых с катодов. Однако вместо единственной электронной пушки здесь буквально в каждом пикселе расположены тысячи «нанопушечек», и расположены они не в нескольких десятках сантиметров от экрана, а на крохотном расстоянии от светящегося покрытия. Зато не нужны ни отклоняющие электроды, ни магнитные катушки, заставляющие в обычных телевизорах электронный луч по порядку обегать все пиксели экрана, – каждая нанопушка бьёт по своей цели.

Иллинойский профессор Кхе Кён Ким и его коллеги разработали новый метод выращивания целых массивов таких катодов, который позволяет получать нанопровода меди диаметром от 70 до 250 нанометров. Однако самое замечательное в этом способе выращивания вискеров (от английского whiskers, «усики» – именно так даже русскоязычные ученые часто называют псевдоодномерные структуры нитевидных кристаллов и поликристаллических образцов) то, что вырастить лес из медных проволочек можно практически на любой поверхности – кремниевой пластине, стеклянной подложке, металле и даже пластике. Статья с подробным описанием технологии опубликована в журнале Advanced Materials.

Работа ученых отнюдь не является пионерским достижением – выращивать лес из вертикально направленных нановолокон ученые умеют уже довольно давно. Так были выращены и многочисленные оксидные структуры, и металлические и углеродные нановолокна. Все они могут найти применение не только в массовом производстве высококачественных FED-дисплеев, но и в разного рода химических и биологических сенсорах. Однако, несмотря на потребность в таких устройствах, технологии на основе подобных массивов нитевидных систем до сих пор всерьез не обсуждались.

Дело в том, что для выращивания большого количества вертикально направленных параллельных нановолокон ученым приходится применять так называемый темплатный синтез. В этом случае рост происходит внутри пор некоего материала, полости которого сонаправлены и представляют собой длинные и узкие (нанометровой ширины) каналы. Изготовление такого темплата и удаление его после проведения синтеза нановолокон требует существенных затрат времени и средств, кроме того, полученные таким образом волокна должны быть еще и перенесены на нужную поверхность, что также может быть нелегко.

Новый метод Кима не требует применения темплата. Он базируется на технологии химического осаждения продукта из газовой фазы (CVD). Исходные летучие соединения, содержащие в себе атомы меди, подвергаются нагреву над поверхностью до 200–300 ⁰С, после чего начинается рост нановолокон меди, имеющих пять граней и заканчивающихся острой пятиугольной вершиной.

Методика CVD используется учеными и промышленниками уже давно, её применяют в основном для нанесения покрытий в микроэлектронике. Чтобы с помощью неё вырастить медные нановолокна, надо сперва разработать и синтезировать летучие органические медьсодержащие исходные вещества, а затем провести еще немало дней в лаборатории, подбирая оптимальные условия роста нановолокон. Этот кропотливый труд взял на себя профессор Ким и его сотрудники.

Сами создатели пророчат своему детищу большое будущее в области FED-дисплеев, так как их методика позволяет получать огромные массивы практически одинаковых медных нанопроводов с острыми вершинами. Их острые края позволяют добиться электронной эмиссии уже при напряжении в 100 вольт, тогда как вольфрамовые катоды традиционных ЭЛТ-мониторов требуют напряжения в десятки киловольт. Именно поэтому, при всех достоинствах ЭЛТ дисплеев – яркости изображения и достоверности цветопередачи, FED-дисплеи будут потреблять электроэнергии даже меньше, чем плоские плазменные и жидкокристаллические панели.

Сама по себе технология FED не нова, однако её коммерциализация оказалась существенно сложнее.

Sony и Motorola уже примерно 10 лет разрабатывают коммерчески доступную модель FED-дисплея.

В первоначальных версиях таких мониторов в качестве электронных нанопушек использовались микроскопические металлические иголки, однако они требовали больших напряжений и были очень трудны для получения, особенно на больших площадях. Нашли свое применение в FED-технологиях и углеродные нанотрубки, которые в данный момент усиленно разрабатываются в Samsung и Motorola. Одна из дочерних компаний Sony – Field Emission Technologies – планирует к 2009 году выпустить первую коммерчески доступную модель профессионального FED-дисплея с использованием металлических наноиголок в качестве электронных излучателей.

Однако все эти технологии априори очень дороги для реализации и вряд ли в скором времени смогут завоевать массовый рынок. Кроме чисто экономических преград на пути FED-технологий стоят и технические трудности. Дело в том, что между излучающим свет элементом поверхности экрана (люминофорным пикселем) и наноразмерной электронной пушкой необходимо поддерживать достаточно глубокий вакуум, что является технически очень непростой задачей. Кроме того, электронные нанопушки подвержены деградации из-за огромных энергий, концентрирующихся на их остриях. Поддержание работоспособности этих излучателей и вакуума в течение 10 лет жизни FED дисплея – задача до сих пор не решенная.

Медные нановолокна имеют значительное преимущество над эмиттерами Sony и углеродными волокнами Samsung: медь изнашивается существенно медленнее.

Кроме того, применение хорошо отработанной в масштабных промышленных задачах технологии CVD позволит существенно снизить стоимость FED-дисплеев.

И всё-таки чтобы стать по-настоящему привлекательной, методика Кима должна быть еще серьезно улучшена. Главным её нынешним недостатком является большой диаметр медных нанопроводов – десятки и даже сотни нанометров. В идеале их толщина не должна превышать нескольких нанометров: только в этом случае на каждый пиксель изображения будет приходиться порядка 10 тысяч электронных пушек. Такое их количество необходимо для поддержания яркости изображения с течением времени: в ходе эксплуатации часть нанопроводов неизбежно деградирует. Однако, по оценкам экспертов, даже если из этих 10 тысяч в итоге останется только половина, изменение яркости монитора будет практически не заметно.

Только время покажет, дождётся ли технология FED своей практической реализации, и сможет ли она противостоять надвигающейся эпохе дисплеев на основе органических полупроводниковых светодиодов, также обещающих высокую яркость и контрастность изображения. «Газета.Ru» обязательно расскажет об успехах учёных и инженеров.