Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanorohren als Feldemissionsquellen
Vakuum-Mikrowellengeräte für Telekommunikationssysteme in Satelliten und Raumfahrzeugen, die mit höheren Frequenzbändern als den bislang vorhandenen betrieben werden, erfordern eine hohe Elektronenflussdichte zwischen 5 und 20A/cm2. Die herkömmliche Technologie der thermionischen Kathoden kann solche hohen Stromdichten erreichen, ist aber auch durch eine kürzere Lebensdauer und höhere Lebensdauerkosten aufgrund des Hochtemperaturbetriebs einer solchen Elektrode gekennzeichnet. Feldemissionskathoden aus nanostrukturell kohlenstoffreichen Materialien sind eine attraktive Alternative, um die thermionischen Kathoden kostengünstig zu ersetzen. Besonders die als kleine, scharfe Stifte gewachsenen Kohlenstoff-Nanorohre besitzen durch ihre elektrische Leitfähigkeit und die sehr gute thermische Stabilität hervorragende Feldemissionseigenschaften. Forscher bei THALES ELECTRON DEVICES S.A. konnten Arrays mit einheitlichen individuellen Kohlenstoff-Nanorohren konstruieren, die vertikal angeordnet und in einem Abstand von etwa ihrer doppelten Höhe platziert sind. Jedes Nanorohr mit 5μm Höhe und 50nm Durchmesser wurde mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfauftragung gezüchtet. Nach dem Wachsen wendete man das Rapid Thermal Annealing an, um die Kristallinität der Nanorohre und ihren Kontakt zum Substrat zu verbessern (E. Minoux et al., 2005). Dadurch konnten Kohlenstoff-Nanorohre produziert werden, die bei relativ geringen elektrischen Feldern starke Ströme von bis zu 100μA produzieren. Das Gerät wurde ununterbrochen bei einer Frequenz von 1,5GHz betrieben, ohne dass es zu Zersetzungserscheinungen oder einem Leistungsabfall bei der Stromproduktion kam; dabei erreichte die Stromdichte einen Wert von 12A/cm2 (K. Teo et al., 2005). Durch seine einzigartigen Eigenschaften eignet sich diese miniaturisierte Elektronenquelle möglicherweise für eine neue Generation effizienter, leichter und kompakter Mikrowellengeräte. Zu den perspektivreichsten Anwendungen dieser Art von kalten Kathoden gehören Endstufensysteme für hohe Frequenzen (30-100GHz) und vor allem für Wanderfeldröhren in Satelliten. Zudem eignen sie sich durch ihre Fähigkeit zur Erzeugung und direkten Modulation von Elektronenstrahlen ausgezeichnet für Niedrigspannungs-Feldemitter, die bei der parallelen Elektronenstrahllithographie und bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen eingesetzt werden.
