基于碳納米材料場(chǎng)發(fā)射電子源的研究.pdf

1、場(chǎng)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(jìn)器等真空電子器件中有重要的應(yīng)用前景。碳納米材料，如碳納米管和石墨烯等，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此在眾多的場(chǎng)發(fā)射材料中脫穎而出，成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。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(jìn)并提高碳納米材料電子源的場(chǎng)發(fā)射性能成為該領(lǐng)域需要解決的首要問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制備新型三極

2、結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更高的電流調(diào)制靈敏度則是能否將電子源用于實(shí)際器件的關(guān)鍵所在。因此，本文研究工作將圍繞場(chǎng)發(fā)射電子源的陰極制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試展開(kāi)，旨在提高其場(chǎng)發(fā)射性能，從而促進(jìn)它在大功率真空電子器件中的應(yīng)用。本文主要的研究工作及成果可概括如下:
　　1.為了增強(qiáng)碳納米材料陰極的邊緣效應(yīng)、減小發(fā)射體間的電場(chǎng)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(gòu):(1)基于網(wǎng)格狀電極的碳納米管陰極結(jié)構(gòu)，相比在

3、平面電極上制備的碳納米管陰極，這種陰極的開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)降低了71％，閾值場(chǎng)強(qiáng)降低了74％，在電場(chǎng)強(qiáng)度為5V/μm的時(shí)候，總電流達(dá)到了5mA(對(duì)應(yīng)電流密度為5A/cm2)。與參考文獻(xiàn)報(bào)道的碳納米管陰極相比，在相似發(fā)射電流水平下，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)大幅降低。(2)石墨烯納米網(wǎng)格陰極，場(chǎng)發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明，該陰極結(jié)構(gòu)具有較低的柵極調(diào)制電壓(0～20V)，其最大電流密度達(dá)到了135mA/cm2。與文獻(xiàn)上報(bào)道的類似石墨烯陰極相比，該陰極結(jié)構(gòu)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(xiàng)成果可以推動(dòng)碳納米薄膜陰極在場(chǎng)發(fā)射器件中的實(shí)際應(yīng)用，并已經(jīng)分別發(fā)表于《Applied Surface Science》和《IEEE Electron Device Letters》上。
　　2.場(chǎng)發(fā)射電子源的電流發(fā)射穩(wěn)定性是影響其實(shí)用化的關(guān)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(fù)合結(jié)構(gòu)，利用氧化鋅納米線的半導(dǎo)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(fù)合結(jié)構(gòu)，相

5、比單純?nèi)S碳納米管網(wǎng)格陰極，復(fù)合結(jié)構(gòu)陰極的壽命有了很大改善（對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在相同測(cè)試條件下，80小時(shí)內(nèi)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)射電流沒(méi)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(fù)合結(jié)構(gòu)，與單純石墨烯海綿相比，該復(fù)合結(jié)構(gòu)的電流波動(dòng)性從20％左右降低到5％以內(nèi)，開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)降低了50％左右，閾值場(chǎng)強(qiáng)降低了60％左右。這些成果在一些對(duì)電流穩(wěn)定性要求較高的真空電子器件中有重要應(yīng)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(chǎng)發(fā)射電子源有待改善的兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在大功率場(chǎng)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(kāi)口率（決定電子透過(guò)率）與其電子調(diào)制聚焦性能相互制約。針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文利用石墨烯厚度薄，機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性提出了一種石墨烯/金屬柵網(wǎng)復(fù)合式柵極結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射三極結(jié)構(gòu)。通過(guò)詳細(xì)的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)這種柵