納米材料與環(huán)境氣體相互作用的研究.pdf

1、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)以及表面與界面效應(yīng)等效應(yīng)是材料納米化后出現(xiàn)的基本效應(yīng)。這些效應(yīng)使納米材料在一些領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)納米材料作為場(chǎng)發(fā)射的陰極材料而取代傳統(tǒng)的熱陰極時(shí)，納米材料大的比表面積和表面結(jié)合能勢(shì)必造成環(huán)境中氣體分子和原子在材料表面大量吸附，這種吸附可以改變電荷在材料表面的分布以及材料的表面功函數(shù)等參數(shù)，從而影響到納米材料的場(chǎng)發(fā)射性能。 納米碳管（carbon nanotube，CNT）和納米氧化

2、鋅（zinc oxide，ZnO）是目前非常熱門的兩種場(chǎng)發(fā)射（field emission，F(xiàn)E）陰極材料。圍繞這兩種納米材料的合成及其在二極結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射器件中的應(yīng)用，介紹了絲網(wǎng)印刷納米材料場(chǎng)發(fā)射陰極、器件的制備以及測(cè)試技術(shù)。采用高壓處理法提高了絲網(wǎng)印刷CNT陰極的有效發(fā)射面積和陰極場(chǎng)發(fā)射的均勻性，通過老煉法提高了發(fā)射電流的穩(wěn)定性。CNT和ZnO場(chǎng)發(fā)射器件在直流電壓下工作時(shí)，陰極發(fā)射電流隨時(shí)間呈現(xiàn)跌落的趨勢(shì)，而相同陰極在10-5Pa量級(jí)的

3、超高真空環(huán)境下發(fā)射電流的穩(wěn)定性則相對(duì)較好，這表明器件內(nèi)部的環(huán)境氣體對(duì)納米材料場(chǎng)發(fā)射性能有著非常明顯的影響。 為了解場(chǎng)發(fā)射器件中的氣體環(huán)境，對(duì)場(chǎng)發(fā)射器件殘余氣體質(zhì)譜分析的開孔分析法、共體分析法和擊碎器件分析法進(jìn)行了研究，并開發(fā)了用于共體殘余氣體分析的微腔體四極質(zhì)譜計(jì)。采用開孔分析法研究了場(chǎng)發(fā)射器件內(nèi)殘余氣體成份以及在工作和打火條件下器件內(nèi)氣體成份的變化，得到在CNT陰極的場(chǎng)發(fā)射器件中存在的殘余氣體成份以及在工作過程中的放氣成份均為

4、H2、CH4、CO及Ar，而ZnO陰極的場(chǎng)發(fā)射器件內(nèi)主要的氣體成份為H2、CH4、CO、Ar和CO2，在工作和打火時(shí)的放氣成份中還發(fā)現(xiàn)了O2。在相同的工藝條件下，CNT場(chǎng)發(fā)射器件和ZnO場(chǎng)發(fā)射器件內(nèi)殘余氣體成份的差異主要來自器件封接及工作過程中陰極材料的分解、放氣以及陰極材料與環(huán)境氣體之間的相互作用。納米材料場(chǎng)發(fā)射器件內(nèi)殘余氣體及放氣特征的研究結(jié)果，對(duì)研究場(chǎng)發(fā)射陰極的發(fā)射穩(wěn)定性和環(huán)境氣體與陰極之間的相互作用具有十分重要的意義。

5、采用充氣法研究了納米材料場(chǎng)發(fā)射器件中的各種氣體成份對(duì)陰極發(fā)射性能的影響，結(jié)果表明：H2對(duì)CNT的影響很弱，對(duì)ZnO的發(fā)射電流則具有明顯衰減作用；CO和O2對(duì)兩種納米材料冷陰極的發(fā)射電流均造成衰減；CH4和Ar對(duì)CNT發(fā)射電流的影響不明顯，但都可增強(qiáng)ZnO發(fā)射的發(fā)射性能；CO2則會(huì)造成ZnO部分發(fā)射電流的永久性跌落。在以上幾種氣體中，對(duì)納米碳管發(fā)射電流造成衰減最為明顯的氣體為O2，對(duì)ZnO影響最為明顯的則為H2。停止充氣后，器件在超高真空

6、環(huán)境下可以使陰極發(fā)射電流得到完全或者大部分恢復(fù)。因此，為改善納米材料冷陰極的發(fā)射性能，可以將納米材料場(chǎng)發(fā)射器件的制備工藝做一定的改進(jìn)。例如，在ZnO場(chǎng)發(fā)射器件排氣過程中在器件內(nèi)充適量惰性氣體Ar，一方面可以減少其它氣體的含量以減少其它氣體與陰極之間的相互作用，另一方面還可以增強(qiáng)納米氧化鋅的發(fā)射電流。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在同種氣體中經(jīng)過相同時(shí)間，納米材料冷陰極發(fā)射電流的變化率（λ（％））與氣體壓強(qiáng)（P）之間存在一定的規(guī)律，即λ=A1×[

7、exp（P/b1）-1]（5×10-5Pa

8、面功函數(shù)的變化，這是納米材料場(chǎng)發(fā)射性能受環(huán)境氣體影響的主要原因。采用密度泛函理論模擬了氣體分子在閉口單壁CNT頂端的物理吸附，得出功函數(shù)、態(tài)密度以及CNT頂端電荷分布隨吸附物不同以及外加電場(chǎng)不同而呈現(xiàn)出的變化。從這幾個(gè)方面可以看出CH4和CO的吸附對(duì)CNT場(chǎng)發(fā)射起到抑制作用，而H2O吸附可以使CNT發(fā)射增強(qiáng)，H2吸附不明顯改變CNT的場(chǎng)發(fā)射性能。模擬結(jié)果除充CH4時(shí)因雜質(zhì)氣體影響較大，且多壁CNT和單壁CNT對(duì)環(huán)境氣體所表現(xiàn)出的變化也不