Field emission of carbon nanotubes (CNT) has become a hot topic in recent years. It has the numerous perspective applications in novel nano electronic devices. One of the most attractive applications is the field emission display (FED). However, to realize the practical application there are several problem to be overcome. The cost of the device should be reasonable; lower turn-on field and higher emission current are desired; emission uniformity is another important target; in addition, the device should have stable performance in a reasonable lifetime.
In this dissertation, improvements of field emission properties of carbon nanotubes by nitrogen doping have been study by experiment and theoretical calculation based on quantum mechanics. By using methane and hydrogen as precursors, patterned vertically aligned carbon nanotubes were synthesized by PECVD as the field emitters. Scanning electronic microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) confirmed the structures of multi-walled carbon nanotube. Owning to the increase of the active emission sites where screening effect between neighboring nanotubes is minimized, field emission performance is expected to be improved by the patterning compared to CNT thin films without any patterning.
By employing the patterned film of carbon nanotube as electron emitters, nitrogen doping into carbon nanotube effect were examined by both experiment and theory. TEM and Raman spectroscopy confirmed the intrinsic crystalline structure alteration induced by nitrogen incorporation. From TEM observation, bamboo-liked structure of carbon nitride nanotube $(CN_x)$ with defects was verified. On the other hand, carbon nanotube has the walls of graphite sheets paralleled to the axis of the tube. It was found that the structural modification by controlled amount of nitrogen-doping can tune the turn-on field and the emission current. Therefore, field emission performance of carbon nanotubes can be optimized by finding the apposite nitrogen flow concentration during PECVD growth process. Raman spectroscopy analysis suggests that the field emission performance and be related to the intensity ratio of D peak to high energy mode peak. Furthermore, first principle simulation was performed to reveal the enhancement of field emission properties. By calculating the transmission functions, it is found that $sp^2$ type doped CNT is more conductive to electron transport than the $sp^3$ type doped CNT. Therefore, it is proposed that there is more $sp^2$ type doing than the $sp^3$ type doping in the nanotubes synthesized by the optimal condition. This finding of the optimal nitrogen concentration may indicate a direction to further improve field emission properties of large area carbon nanotube array emitters synthesized by PECVD for practical application in nano electronic devices.
카본나노튜브의 전계방출효과는 많은 전자기기에 다양하게 응용될 수 있어서 최근 몇 년간 주목 받아왔다. 그 중에서도 FED(Field Emission Display)에의 응용이 가장 가능성 있다고 여겨진다. 그러나 실제로 이를 구현하기 위해서는 CNT의 높은 가격, 높은 turn-on 전압과 전류, 전계방출의 균질화, 짧은 수명 등 극복해야 할 문제가 많다.
따라서 본 연구에서는 카본나노튜브에 질소를 도핑하여 전계방출 효과를 개선하는 연구를 실험과 전산모사를 병행하여 수행하였다. 실험적으로는 메탄가스와 수소를 이용하여 PECVD 방법으로 카본나노튜브를 기판에 패턴하여 수직배향으로 성장시켰고, 이를 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 관찰하여 다중벽카본나노튜브임을 확인하였다. 카본나노튜브를 패턴하여 성장시켰을 때, 그렇지 않았을 때보다 활성 전계방출 사이트의 가리움 효과를 줄여주어 전계방출효과가 증진되었다.
질소도핑의 효과에 대해서는 실험적, 이론적 연구를 병행하였다. 투과전자현미경과 라만분광법을 이용하여 질소 도핑시 본래의 결정구조가 변화함을 확인하였고, 또 전자현미경으로 관측했을 때 보통의 탄소나노튜브에서 관측되듯 흑연의 판상구조가 나노튜브의 축에 평행하게 배열되어있는 것이 아니라 대나무 구조와 같이 적층되어있는 결함이 발견되었는데, 이와 같이 질소 도핑시 나타나는 구조적인 변화가 전계 방출 시의 turn-on 전압을 낮추어 준다는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 질소 도핑효과를 최적화하기 위해 질소농도를 조절해가면서 PECVD로 카본나노튜브를 성장시켰고, 라만 분광법을 이용하여 D 피크가 전계방출효과를 증진시킴을 알아냈다.
전산모사를 통해서는 sp2와 sp3 type으로 질소가 도핑되었을 때 어떤 결합이 전자 운송효과가 높은지 알아보았고, sp2 type이 더 최적화 된 조건임을 알아냈다.
이 연구를 통하여 알아낸 결과를 통하여 대면적의 패턴된 나노튜브 전계방출 소자를 PECVD 방법으로 생산하는데 기여할 수 있을 것이라 생각된다.
