Теленанопушки зарядили медью

Медные нанопушки дадут живость краскам тонких дисплеев

Новый метод выращивания крохотных проводов открывает возможность создания «фасеточных» FED-телевизоров, каждый пиксель которых будут обстреливать тысячи электронных нанопушек. Секрет метода — использование меди и проверенная временем химическая технология. Впрочем, для создания сверхэкономичных плоских дисплеев с живыми красками ещё предстоит решить ряд технических проблем.

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.

Мониторы автоэлектронной эмиссии

(Field emission display, FED) – новая, быстро развивающаяся технология, отличающаяся тем, что в отличие от электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), в которых имеется от одной до трёх электронных пушек, используется электроразрядная матрица.

При этом каждый элемент изображения содержит свою микроэлектронный источник излучения, который излучает электроны на свой «экран» размером в один пиксел. Излучатели включаются и выключаются сигналами от формирователей строк и столбцов, которые определяют их координаты.

По сравнению с ЭЛТ эти мониторы имеют существенно более высокую контрастность, а по сравнению с жидкокристаллическими дисплеями – более богатую цветовую гамму, малую инерционность (5 мкс против 25-50 мкс) и независимость от угла наблюдения экрана.

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.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "picsrc": "«Нанопушка» профессора Кима (слева) и мембрана из оксида алюминия, полученная электрохимическим окислением (справа); на правом фото видны наноразмерные поры-каналы//uiuc.edu",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_2725042_i_3"
}

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.

Осаждение из паровой фазы

(chemical vapor deposition, CVD) – химический процесс, которые может быть использован для получения высокотехнологичных высокочистых материалов. Наиболее широкое применение метод CVD получил в полупроводниковой кремниевой промышленности для получения тонких пленок, нанесенных на поверхность материалов.

В ходе CVD-процесса подложка подвергается обдуву одним или несколькими летучими компонентами-прекурсорами, которые реагируют или разлагаются на её нагретой поверхности с образованием нелетучего конечного продукта. Продукты разложения и реакции, как правило, также являются летучими компонентами и легко выводятся из зоны реакции. С помощью метода CVD обычно наносят тонкие пленки кремния, его оксида, нитрида, пленки полупроводниковых оксидов металлов и многие другие.

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» обязательно расскажет об успехах учёных и инженеров.