Nanokohlenstoff für energieeffiziente Geräte

EU-finanzierte Wissenschaftler haben hocheffiziente auf Nanokohlenstoffmaterialien basierende Elektronenquellen entwickelt, die von flachen Tafel-Displays bis hin zu Elektronenkanonen als Antrieb von Raumfahrzeugen in energieeffizienten Geräten verwendet werden können.

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Fortschrittliche elektronische Geräte erfordern Technologien, welche die Bereitstellung von Elektronenstrahlen ermöglichen. Eine Feldemissionskathode (oder kalte Kathode) ist ein Beispiel für eine Elektronenquelle, die potenziell in kathodolumineszenten Lampen und flachen Panel-Displays, Mikrowellen und Röntgenröhren verwendet werden könnte. Auf der Suche nach neuen Kathoden, die einen starken Elektronenfluss bei geringen Energieanforderungen erzeugen können, haben Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer außergewöhnlichen Strombelastbarkeit viel Aufmerksamkeit erregt. In Miniaturgeräten ersetzen Nanokohlenstoffspezies metallische oder Halbleiterstrukturen, die kostenintensive mikroelektronische Technologien erfordern. Kalte Nanokohlenstoffkathoden stoßen bei Anwendung eines elektrischen Felds Elektronen aus. Eine außergewöhnliche Verbesserung der Elektronenemission wird in Reaktion auf eine Laserimpulsbeleuchtung erreicht. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts FANCEE (Fundamentals and applications of nano-carbon electron emitters) untersuchten Wissenschaftler, wie sich die Struktur von Nanokohlenstoffmaterialien auf die Elektronenemissionseffizienz auswirkt. Dies ermöglichte den Wissenschaftlern die Entwicklung neuer Materialien, mit denen es möglich ist, die Emissionseigenschaften der Kathoden und die Leistung der elektronischen Geräte zu verbessern. Es wurden zudem ultradünne Filme hergestellt, die entweder aus Graphen oder pyrolytischem Kohlenstoff bestanden. Diese lassen sich für verschiedene optoelektronische Vorrichtungen wie Dioden oder Solar- und Photovoltaikzellen verwenden, die sowohl unter Regulierung von Licht als auch unter Anwendung von Strom betrieben werden. Zusätzlich zu graphitischen Filmen mit verschiedener Morphologie wurde eine monokristalline Diamantnadel synthetisiert, die als Elektronenquelle in fortschrittlichen elektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet werden kann. Über eine Manipulation der Form der Diamantnadelspitze schufen die Wissenschaftler eine neue Klasse hochleistungsfähiger FE-Kathoden. Zu den im Zuge von FANCEE entwickelten Prototypen zählen kathodolumineszente Lampen (Licht wird hierbei durch Phosphormaterial erzeugt, das über einen Elektronenstrahl angeregt wird) sowie Röntgenröhren (die Röntgenstrahlung resultiert hierbei aus einer Interaktion von hochenergetischen Elektronen mit einem metallischen Anodenziel). Eine interessante Entwicklung stellt die Elektronenkanone zur Verwendung bei einem elektrischen Sonnensegel (E-Sail) dar, eine Antriebsform für Weltraumfahrzeuge. Die Kanone wird derzeit an Bord des weltweit ersten E-Sail-Satelliten namens ETSCube-1 getestet. FANCEE hat demonstriert, dass die entwickelten Nanokohlenstoffkathoden gegenüber Kathoden, die auf Metallen oder Halbleitern basieren, weitaus überlegen sind. Im Anschluss an die Kommerzialisierung werden diese Kathoden sowie die geschaffenen Nanokohlenstoffmaterialien hilfreich für Industrien sein, die von der Elektrochemie bis hin zur Luft- und Raumfahrt und dem Automobilsektor reichen.

Schlüsselbegriffe

Nanokohlenstoff, Elektronenquellen, Vakuumelektronik, Optoelektronik, FANCEE

Fundamentals and Applications of Nano-Carbon Electron Emitters

Nanokohlenstoff für energieeffiziente Geräte

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