基于碳納米材料場發(fā)射電子源的研究.pdf

1、場致發(fā)射電子源在平板顯示器、微波放大器、X射線源和離子推進器等真空電子器件中有重要的應用前景。碳納米材料，如碳納米管和石墨烯等，具有較高的機械強度和化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的導電性和導熱性，因此在眾多的場發(fā)射材料中脫穎而出，成為國內(nèi)外科學家關注和研究的焦點。但目前碳納米材料的大電流發(fā)射能力、電流均勻性以及大電流的調(diào)制靈敏度等性能仍不能滿足大功率器件的需求。如何改進并提高碳納米材料電子源的場發(fā)射性能成為該領域需要解決的首要問題，設計并制備新型三極

2、結(jié)構以實現(xiàn)更高的電流調(diào)制靈敏度則是能否將電子源用于實際器件的關鍵所在。因此，本文研究工作將圍繞場發(fā)射電子源的陰極制備、結(jié)構設計及性能測試展開，旨在提高其場發(fā)射性能，從而促進它在大功率真空電子器件中的應用。本文主要的研究工作及成果可概括如下:
　　1.為了增強碳納米材料陰極的邊緣效應、減小發(fā)射體間的電場屏蔽和提高發(fā)射體的有效發(fā)射面積，本文提出并制備了兩種具有規(guī)則圖案的碳納米薄膜陰極結(jié)構:(1)基于網(wǎng)格狀電極的碳納米管陰極結(jié)構，相比在

3、平面電極上制備的碳納米管陰極，這種陰極的開啟場強降低了71％，閾值場強降低了74％，在電場強度為5V/μm的時候，總電流達到了5mA(對應電流密度為5A/cm2)。與參考文獻報道的碳納米管陰極相比，在相似發(fā)射電流水平下，驅(qū)動場強大幅降低。(2)石墨烯納米網(wǎng)格陰極，場發(fā)射測試結(jié)果表明，該陰極結(jié)構具有較低的柵極調(diào)制電壓(0～20V)，其最大電流密度達到了135mA/cm2。與文獻上報道的類似石墨烯陰極相比，該陰極結(jié)構具有較高的電流調(diào)制靈敏度

4、和較大的發(fā)射電流密度。這兩項成果可以推動碳納米薄膜陰極在場發(fā)射器件中的實際應用，并已經(jīng)分別發(fā)表于《Applied Surface Science》和《IEEE Electron Device Letters》上。
　　2.場發(fā)射電子源的電流發(fā)射穩(wěn)定性是影響其實用化的關鍵因素之一。本文提出并制備出兩種三維碳納米材料/氧化鋅的復合結(jié)構，利用氧化鋅納米線的半導體特性，獲得較高的發(fā)射穩(wěn)定性:(1)三維碳納米管網(wǎng)格/氧化鋅納米線復合結(jié)構，相

5、比單純?nèi)S碳納米管網(wǎng)格陰極，復合結(jié)構陰極的壽命有了很大改善（對比實驗表明，在相同測試條件下，80小時內(nèi)，復合結(jié)構的發(fā)射電流沒有明顯跌落，而單純碳納米管的發(fā)射電流跌落了60％以上）。(2)三維石墨烯海綿/氧化鋅納米線復合結(jié)構，與單純石墨烯海綿相比，該復合結(jié)構的電流波動性從20％左右降低到5％以內(nèi)，開啟場強降低了50％左右，閾值場強降低了60％左右。這些成果在一些對電流穩(wěn)定性要求較高的真空電子器件中有重要應用前景，并已經(jīng)分別發(fā)表于《Thin

6、 Solid Film》和《RSC Advances》。
　　3.電流的靈敏調(diào)制和電子束的有效聚焦是場發(fā)射電子源有待改善的兩個關鍵科學問題。在大功率場發(fā)射器件中，通常采用金屬柵網(wǎng)作為柵極電極，柵網(wǎng)的開口率（決定電子透過率）與其電子調(diào)制聚焦性能相互制約。針對這兩個關鍵問題，本文利用石墨烯厚度薄，機械強度高、導電性好等優(yōu)點，創(chuàng)新性提出了一種石墨烯/金屬柵網(wǎng)復合式柵極結(jié)構，并將其應用于場發(fā)射三極結(jié)構。通過詳細的模擬計算和實驗測試對這種柵