Self-Assembled Growth, Microstructure, and Field-Emission High-Performance of Ultrathin Diamond Nanorods

Abstract

We report the growth of ultrathin diamond nanorods (DNRs) by a microwave plasma assisted chemical vapor deposition method using a mixture gas of nitrogen and methane. DNRs have a diameter as thin as 2.1 nm, which is not only smaller than reported one-dimensional diamond nanostructures (4-300 nm) but also smaller than the theoretical value for energetically stable DNRs. The ultrathin DNR is encapsulated in tapered carbon nanotubes (CNTs) with an orientation relation of (111)diamond//(0002)graphite. Together with diamond nanoclusters and multilayer graphene nanowires/nano-onions, DNRs are self-assembled into isolated electron-emitting spherules and exhibit a low-threshold, high current-density (flat panel display threshold: 10 mA/cm2 at 2.9 V/microm) field emission performance, better than that of all other conventional (Mo and Si tips, etc.) and popular nanostructural (ZnO nanostructure and nanodiamond, etc.) field emitters except for oriented CNTs. The forming mechanism of DNRs is suggested based on a heterogeneous self-catalytic vapor-solid process. This novel DNRs-based integrated nanostructure has not only a theoretical significance but also has a potential for use as low-power cold cathodes.

Diamond Nanowires: Fabrication, Structure, Properties and Applications

“…Shang et al reported the growth of ultrathin diamond nanorods (UDNRs) by a MPCVD method (in N 2 /CH 4 plasma) [84]. As-deposited UDNRs have a length of 50-300 nm and a thin diameter of 2.1 nm, less than the theoretical minimum value (2.7 nm) for energetically stable UDNRs [82,83].…”

“…This value is extremely high. Shang et al reported the growth of ultrathin diamond nanorods (DNRs) by a microwave plasma assisted chemical vapor deposition method, using a mixture gas of nitrogen and methane [84]. DNRs have a diameter as thin as 2.1 nm, which is not only smaller than reported one-dimensional diamond nanostructures (4-300 nm) but also smaller than the theoretical value for energetically stable DNRs.…”

Diamant‐Nanodrähte: Herstellung, Struktur, Eigenschaften und Anwendungen

“…[104] Die UNCD-Filme werden in einem Mikrowellenplasma-CVD-Reaktor in Ar/CH 4 /H 2 /N 2 -Gemischen auf Si-Substraten abgeschieden. [105] Die Kerne der Diamant-Nanodrähte ("diamond nanowires", DNWs) haben Durchmesser von 5-6 nm und wachsen entlang der [110]-Richtung. Die experimentellen Ergebnisse zeigten in Übereinstimmung mit Ergebnissen von Arenal et al, [106] dass N 2 eine wichtige Rolle bei dem Wachstum drahtartiger Diamantkçrner spielt.…”

“…[110] Die frisch abgeschiedenen UDNRs haben eine Länge von 50-300 nm und einen Durchmesser von nur 2.1 nm, was unter dem theoretischen Mindestwert (2.7 nm) für energetisch stabile UDNRs liegt. [25,27] Es wird vorgeschlagen, dass das Wachstum der UDNRs einem heterogenen selbstkatalytischen Gasphase-Flüssigkeit-Mechanismus folgt.…”

“…Es wird angenommen, dass diese Ergebnisse zum Abschätzen des Grçßenbereichs von Nutzen sind, für den bei der Synthese Diamant-Nanodrähte erwartet werden kçnnen, und als Richtlinie für die relative Stabilität einiger sp 2 -und sp 3 -hybridisierter Kohlenstoffe in 1D-Nanostrukturen. [34] Kürzlich wurde gezeigt, dass dehydrierte DNWs Strukturen mit Hauptachsen parallel zu der [100]-Richtung bevorzugen, während [110]-DNWs als instabil beschrieben wurden. [25,26] Aufgrund des Einflusses von H-H-Wechselwirkungen an der Oberfläche kann das Vorhandensein (oder Fehlen) von Wasserstoff bei der Synthese von DNWs und DNRs die Orientierung der Produkte beeinflussen.…”