Résultats sur échantillons avec des plots de 100nm au pas de 10µm

Après les mesures préliminaires réalisées sur des réseaux de plots 1µm, nous avons fabriqué plusieurs échantillons comprenant un réseau de nanotubes individuels espacés de 10µm. Ici sont présentés les résultats obtenus sur 2 de ces cathodes, la 1ère _{mesurée en} mode continu et la 2e en mode pulsé.

Mesures en mode continu

Le premier échantillon ("Dots 100nm – TiN lift - 8") constitué d'un réseau 500x500µm2 de nanotubes de carbone individuels au pas de 10µm est présenté sur la Figure 4-19. Comme on peut le constater, ce réseau présente une assez bonne homogénéité avec un facteur d'amplification moyen compris entre 290 et 430 (en tenant compte du pas de 10µm). On a effectué un recuit sous vide à 850°C sur cet échantillon après avoir constaté sur les premières mesures une saturation du courant émis.

Figure 4-19: Géométrie des nanotubes de la cathode.

Les résultats des mesures en émission de champ sur cette cathode après recuit sont présentés sur la Figure 4-20. On voit que les points expérimentaux suivent parfaitement la loi de Fowler-Nordheim en prenant β =350. Le courant maximum émis est de 2.5mA ce qui représente une densité de courant de 1A.cm-2_.

Figure 4-20: Mesures en émission de champ sur la cathode de la Figure 4-19.

Nous avons là encore simulé le comportement de cette cathode en utilisant notre modèle et les paramètres de la Table 4-2. Les paramètres géométriques sont ceux issus des observations MEB.L'écart type et le courant critique sont quant à eux issus des mesures individuels du chapitre 3.

Paramètres Valeurs

l (µm) 7

r (nm) 12.5

Pas (µm) 10

β (en tenant compte du pas) 350

σ 100 (29%)

Ilimite (µA) 30 φdégradation (µm) 15-20

Table 4-2: Paramètres utilisés pour la simulation.

Dans ce cas, nous considérons que la destruction d'un émetteur n'affecte pas les autres vu qu'ils se situent à une distance de 10µm les uns des autres. Cela est confirmé sur la Figure 4-21 où l'on voit bien que les destructions sont localisées et n'affecte que rarement des nanotubes voisins.

Figure 4-21: Dégradations localisées.

Figure 4-22: Résultats de la simulation.

Comme on peut le voir, le courant maximum par nanotube est ici plus élevé sans doute dû à un diamètre de nanotube plus grand. Il est ainsi en bon accord avec les mesures individuelles. De plus, malgré le fait qu'il y ait 10 fois moins d'émetteurs que sur la cathode précédente, la meilleure homogénéité et le courant maximum par nanotube plus élevé permettent l'émission d'une densité de courant supérieure. Cela confirme que ce sont les 2 paramètres les plus critiques à l'obtention d'une cathode qui émet à la fois un fort courant et une forte densité de courant.

Mesures en mode pulsé

Pour augmenter le courant maximum par nanotube, nous sommes passé aux mesures en mode pulsé. Ainsi, nous limitons la puissance dissipée dans le nanotube et améliorons les performances globales de la cathode.

L'échantillon utilisé pour ces mesures ("Dots 100nm – TiN lift - 7") est similaire à l'échantillon utilisé pour la mesure précédente et il est représenté sur la Figure 4-23. On l'a également recuit à 850°C.

Figure 4-23: Dots 100nm – TiN lift - 7

Les résultats de la mesure en mode pulsé sont présentés sur la Figure 4-24. Comme on peut le constater, les points expérimentaux suivent à nouveau parfaitement la loi de Fowler-Nordheim. Le courant maximum émis est ici de 4.6mA soit une densité de courant de 1.8A.cm-2. On a ici doublé le courant émis par la cathode par rapport au mode continu. Il est à noter que le courant minimal de détection sur la grille est élevé (environ 10-5A) à cause du courant capacitif imposé par le mode de mesure. Nous avons donc utilisé la courbe donnant le courant d'anode pour déduire le facteur d'amplification ici de ~400.

Figure 4-24: Mesures en émission de champ.

Nous avons là encore simulé le comportement de cette cathode en utilisant notre modèle et les paramètres de la Table 4-3.

Paramètres Valeurs

l (µm) 7

r (nm) 11

Pas (µm) 10

β (en tenant compte du pas) 400

σ 100

Ilimite (µA) 60 φdégradation (µm) 15-20

Table 4-3: Paramètres utilisés dans la simulation.

Les résultats de cette simulation se trouvent sur la Figure 4-25.

Figure 4-25: Résultats de la simulation.

Le fait de passer des mesures en mode continue aux mesures en mode pulsé nous a permis de multiplier par 2 le courant critique des nanotubes de carbone jusqu'à 60µA.

Remarque: Il serait intéressant de modifier le SAFEM pour pouvoir réaliser des mesures en mode pulsé.

Vers une cathode idéale?

Il est important pour obtenir une cathode qui émette à la fois un fort courant et une forte densité de courant d'avoir des émetteurs qui émettent de forts courants et d'avoir une bonne homogénéité de ces émetteurs sur la cathode.

Nous avons réalisé quelques simulations pour obtenir des prévisions de courants sur des cathodes optimisées.

Amélioration de l'homogénéité

Tout d'abord, nous avons simulé l'impact d'une amélioration de l'homogénéité des nanotubes sur l'ensemble du réseau. Ainsi, si on passe d'un écart type sur le facteur d'amplification de 25% (valeur proche de celle mesurée au SAFEM sur des réseaux de nanotubes déposés sur une couche de TiN) à une valeur de 7% (valeur proche de celle mesurée sur des réseaux de nanotubes déposés sur une couche de SiO2) alors nous pouvons espérer multiplier par 5 le courant émis par la cathode, voir Figure 4-26.

Figure 4-26: Simulations d'une amélioration de l'homogénéité.

Cette amélioration semble parfaitement réalisable si nous parvenons à mieux maîtriser le dépôt de plots de catalyseur de volume bien contrôlé. Nous avons d'ailleurs déposé un brevet sur un procédé technologique qui devrait nous permettre cette optimisation (voir chapitre 2).

Une autre façon d'améliorer l'homogénéité, inspirée des travaux réalisés sur les écrans plats à pointes à émission de champ est d'utiliser une résistance ballast sous chaque nanotube pour brider les meilleurs émetteurs et ainsi améliorer l'homogénéité de l'émission (voir chapitre 1). Le problème dans notre cas est l'application de ces cathodes comme sources électroniques dans des tubes amplificateurs hyperfréquence. Utiliser la technique de résistance ballast peut en effet améliorer l'homogénéité mais cela dégrade fortement la transconductance (voir annexe) ce qui n'est pas favorable en terme de gain de l'amplificateur.

Une autre possibilité, en utilisant des saturateurs de courant, sera détaillé dans les paragraphes suivant et dans l'annexe.

Amélioration du courant maximum par nanotube

Si, de plus, on parvient à augmenter le courant maximum par nanotube, on pourrait là encore améliorer la densité de courant maximale d'une telle cathode, Table 4-4.

β = 400 σ = 7%

Imax / CN = 60µA Imax = 25mA Jmax = 10A.cm-2 Imax / CN = 80µA Imax = 34mA Jmax = 13.3A.cm-2 Imax / CN = 100µA Imax = 42mA Jmax = 16.6A.cm-2 Imax / CN = 120µA Imax = 50mA Jmax = 20A.cm-2

Table 4-4: Prévisions des performances.

Il est cependant ici difficile de dire jusqu'à quelle valeur nous pouvons faire émettre nos nanotubes.

Une idée que nous avons eue et qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet est d'intégrer sous chaque nanotube un dispositif saturateur de courant (basé sur la saturation de vitesse des porteurs dans les semi-conducteurs) qui, s'il est bien dimensionné, permettrait de brider tous les émetteurs à une valeur fixée. On pâli ainsi aux problèmes d'homogénéité et on peut faire émettre à chaque nanotube un courant élevé sans risque de dégradation (voir annexe pour plus de précisions).

En théorie, si on prend un courant maximum de 100µA par nanotube et une densité d'émetteurs de 106/cm2 (pas de 10µm entre les émetteurs), on pourrait espérer obtenir une densité de courant maximale de 250A.cm-2. Cette valeur est théorique mais montre tout de même qu'il est possible d'améliorer notablement les propriétés émissives de nos cathodes.

Augmentation de la densité d'émetteurs

Une autre façon d'augmenter le courant et la densité de courant émise par les cathodes est de densifier les réseaux. C'est à dire pour la même surface de cathode, multiplier le nombre d'émetteurs. C'est ce qui est présenté dans la partie suivante.