Utilisation de nanotubes de carbone comme source d'émission par effet de champ.

Les dispositifs hyperfréquences à vide pour les systèmes de télécommunication installés dans les satellites et les engins spatiaux qui fonctionneront à des bandes de fréquences supérieures à celles actuellement disponibles requièrent des densités élevées de courant transportées par des électrons comprises entre 5 et 20 A/cm2. La technologie conventionnelle des cathodes thermoélectroniques peut fournir ces densités élevées de courant en exploitant la cathode à des températures élevées mais ce au détriment de la durée de vie de ces dernières et des coûts de leur cycle de vie.

Les cathodes à émission de champ fabriquées à partir de nanomatériaux dont la structure est riche en carbone présentent une alternative intéressante au remplacement à faible coût des cathodes thermoélectroniques. En outre, les nanotubes de carbone conçus sous la forme de petites pointes aiguës présentent des propriétés extraordinaires d'émission par effet de champ en raison de leur conductivité électrique et de leur stabilité thermique remarquable. Les chercheurs de THALES ELECTRON DEVICES S.A. sont parvenus à construire des matrices de nanotubes de carbone uniformes et individuels alignés verticalement et séparés par une distance d'environ deux fois leur hauteur.

Chaque nanotube de carbone d'une hauteur de 5 µm et d'un diamètre de 50 nm a été obtenu par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Après la croissance, le recuit thermique rapide a permis d'améliorer la cristallinité des nanotubes de carbone et leur contact électrique avec le substrat (E. Minoux et al., 2005). Ceci a permis la fabrication de nanotubes de carbone pouvant chacun émettre des courants élevés allant jusqu'à 100 µA dans des champs électriques relativement faibles. Le dispositif a été utilisé à une fréquence égale à 1,5 GHz en mode continu sans dégradation ou réduction de la sortie de courant dont la densité a atteint les 12 A/cm2 (K. Teo et al., 2005).

Grâce à ses propriétés uniques, cette source miniaturisée d'électrons promet une nouvelle génération de dispositifs hyperfréquences compacts, légers et efficaces. Les applications les plus prometteuses de ce nouveau type de cathodes froides sont les systèmes amplificateurs de puissance fonctionnant à des fréquences élevées (30-100 GHz) et en particulier pour les tubes à ondes progressives utilisés dans les satellites. En outre, leur capacité à générer et à moduler directement des faisceaux d'électrons les rend tout à fait adaptés aux émetteurs par effet de champ utilisés pour la lithographie par faisceaux d'électrons et la génération de rayons X.