一种平行栅碳纳米管阵列阴极的场发射特性研究

建立一种平行栅碳纳米管阵列阴极,利用悬浮球模型和镜像电荷法进行计算,给出碳纳米管顶端表面电场与电场增强因子的解析式. 在此基础上,进一步分析器件各类参数以及接触电阻对阴极电子发射性能的影响. 分析表明,碳纳米管间距大约为2倍碳纳米管高度时阵列阴极的分布密度最佳,靠边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大;除碳纳米管的长径比之外,栅极宽度和栅极间距也对电场增强因子有一定作用;接触电阻的存在大幅度降低碳纳米管顶端表面电场与发射电流,而接触电阻高于800 kΩ时,器件对阳极驱动电压的要求更高. 关键词： 平行栅碳纳米管阵列 悬浮球 场增强因子 接触电阻     

纳米碳管阵列场发射电流密度的理论数值优化

以纳米碳管阵列为研究对象,利用镜像悬浮球模型及Fowler-Nordheim电流密度公式,对纳米碳管阵列的场发射电流密度进行计算,进而综合考虑场发射增强因子及场发射电流密度对纳米碳管阵列场发射性能进行定量优化.参考碳管阵列场发射电流密度最大值及场发射增强因子,表明当纳米碳管阵列间距为碳管高度十分之一时,纳米碳管阵列的场发射性能得到优化.与以前的理论估算结果相比,优化的阵列间距进一步减小.当纳米碳管间距过大,场发射增强因子增加,而场发射电流密度会在更大程度上减小;当纳米碳管密度较大时,场发射增强因子受到静电 关键词： 纳米碳管 场发射 增强因子 电流密度     

纳米碳管阵列场增强因子的计算

采用悬浮球模型，结合对称的镜像电荷层方法，对静电场中纳米碳管阵列的场增强因子进行了计算，并在考虑极板间距的情况下，对其计算结果做了修正.结果表明：纳米碳管阵列的间距对纳米碳管阵列的场发射性能影响很大.当纳米碳管阵列中碳管间距小于碳管高度时，场增强因子随间距的减小而急剧减小；而当碳管间距显著大于碳管高度时，场增强因子几乎不变.但当考虑阴阳极之间单位面积通过的场发射电流时，可论证当管间距与管高度相若时，能使场发射电流密度最佳(最大).另外，极板间距对场增强因子的影响很小，但是可以通过减小极板间距，来降低纳米碳管作为场发射体的场发射的开启电压，优化纳米碳管的场发射性能. 关键词： 纳米碳管阵列 场增强因子 开启电压     

大电流碳纳米管场发射阴极研究

报道了在较大发射面积上获得较大场发射电流的碳纳米管场发射阴极。为了加强场发射电流,在丝网印刷浆料中增加一种金属纳米颗粒,金属颗粒增强了碳纳米管发射体和衬底的接触,提高碳纳米管和衬底的粘附作用。利用改进后的丝网印刷方法制备了大电流碳纳米管场发射阴极,测得最大发射电流为68.0 mA,阴极有效发射面积约1.1 mm2,发射电流密度约6.2 A/cm2;并成功将改进方法制备的大电流场发射碳纳米管阴极应用于场发射真空器件原型。实验证明这种具有较大发射电流和较大发射电流密度的场发射能够满足部分大功率电子器件的需求。收稿日期:; 修订日期:     

碳纳米管薄膜场蒸发效应

在超高真空系统中对基于丝网印刷方法制备的碳纳米管薄膜的场蒸发效应进行实验研究. 实验发现, 碳纳米管薄膜样品存在场蒸发现象, 蒸发阈值场在10.0-12.6 V/nm之间, 蒸发离子流可以达到百皮安量级; 扫描电子显微镜分析和场致电子发射测量结果表明, 场蒸发会使碳纳米管分布变得更加不均匀, 会导致薄膜的场致电子发射开启电压上升(240→300V)、场增强因子下降(8300→4200)、蒸发阈值场上升(10→12.6V/nm), 同时使得薄膜场致电子发射的可重复性明显变好. 场蒸发也是薄膜自身电场一致性修复的表现, 这种修复并非表现在形貌上, 而是不同区域场增强因子之间的差距会越来越小, 这样薄膜场致电子发射的可重复性和稳定性自然会得到改善.     

碳纳米管在大气压环境中的场致发射特性

研究了在大气压环境下,单根碳纳米管作为场致发射阴极,与阳极间距为100—200 nm时的场致发射特性.对比了碳纳米管在不同阴阳极间距和不同气体环境中的场致发射电流和噪声的特点. 关键词： 碳纳米管 场致发射 大气压     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

 在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm²。     

基于铟锡氧化物/Ti复合电极的高亮度碳纳米管场致发射冷阴极

通过制作亲碳性铟锡氧化物(ITO)/Ti复合电极,改善移植型碳纳米管(CNT)冷阴极的导电电极与CNT膜层之间附着性能,从而消除CNT与电极间的界面势垒和非欧姆接触对CNT阴极场发射均匀性和稳定性的影响.采用磁控溅射技术和丝网印刷工艺制作了ITO/Ti基CNT阴极.用X射线衍射仪和场致发射扫描电子显微镜表征CNT阴极结构,结果显示热处理后的ITO/Ti基CNT阴极中可能有TiC相生成,从而使得导电电极与CNT形成有中间物的强作用体系.该体系降低甚至消除电极与CNT之间的界面势垒,增加了CNT与电极间形成欧姆接触的概率.用四探针技术分析电阻率,结果表明ITO/Ti复合电极具有电阻并联效果,CNT阴极导电性能提高.场致发射特性测试表明ITO/Ti基CNT阴极的场致发射电流达到384μA/cm2,较普通ITO基CNT阴极的场致发射电流有显著提高,能够激发测试阳极发出均匀、稳定的高亮度荧光.制作ITO/Ti复合电极是实现场致发射稳定、均匀的低功耗CNT阴极的有效途径.     

Field emission characteristic of screen-printed carbon nanotube cathode

The fabrication of carbon nanotube emitters with excellent emission properties is described. The multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) produced by chemical vapor deposition (CVD) method were purified with oxidation method and mixed with organic binding pastes and then screen-printed on glass substrates with ITO film. We applied anode voltage gradually to refine the emission behavior of the emitter by cleaning the top surface of screen-printed carbon nanotubes (CNTs). The density of the carbon nanotubes is about 2.5×10⁸/cm². Diode field emission experiments were performed in dynamic vacuum system to study the emission current, the emission uniformity, etc. Bright and stable character emission images were obtained in the diode structure and the emission current could approach 1 mA/cm².     

碳纳米管阴极强流脉冲发射放气质谱分析

借助2 MeV直线感应加速器注入器平台,利用四极质谱仪研究了碳纳米管阴极的强流脉冲发射放气质谱特性. 研究结果表明:在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极材料释放出较多的吸附气体,解吸气体又以CO₂,N₂(CO),H₂三种气体居多,这些解吸气体在阴极等离子体形成过程中起着重要的作用. 通过分析解吸气体成分的含量,证明碳纳米管阴极强流脉冲电子发射过程为场致等离子体发射,而不是场致爆炸发射. 关键词： 碳纳米管阴极 强流脉冲发射 质谱分析 场致等离子体发射     

Field emission properties of carbon nanotube cathodes produced using composite plating

Field emission properties of carbon nanotube field emission cathodes (CNT-FECs) produced using composite plating are studied. The experiment uses a CNT suspension and electroless Ni plating bath to carry out composite plating. The CNTs were first purified by an acid solution, dispersed in a Ni electrobath, and finally co-deposited with Ni on glass substrates to synthesize electrically conductive films. Field emission scanning electron microscopy and Raman spectroscopy results show that the field emission characteristics and graphitic properties of CNT-FECs depend on the pH value of the electrobath. Experiments show that the optimum electrobath pH value is 5.4, achieving a field emission current density of 1.0 mA/cm² at an applied electric field of 1.5 V/μm. The proposed CNT-FECs possess good field emission characteristics and have potential for backlight unit application in liquid crystal displays.     

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明：在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm2。     

大电流碳纳米管场发射阴极研究

报道了在较大发射面积上获得较大场发射电流的碳纳米管场发射阴极。为了加强场发射电流,在丝网印刷浆料中增加一种金属纳米颗粒,金属颗粒增强了碳纳米管发射体和衬底的接触,提高碳纳米管和衬底的粘附作用。利用改进后的丝网印刷方法制备了大电流碳纳米管场发射阴极,测得最大发射电流为68.0 mA,阴极有效发射面积约1.1 mm2,发射电流密度约6.2 A/cm2;并成功将改进方法制备的大电流场发射碳纳米管阴极应用于场发射真空器件原型。实验证明这种具有较大发射电流和较大发射电流密度的场发射能够满足部分大功率电子器件的需求。收稿日期:; 修订日期:     

碳纳米管阴极强流脉冲发射放气特性研究

为了研究碳纳米管(CNT)阴极强流脉冲发射特性, 在2MeV直线感应加速器(LIA)注入器平台上开展了阴极放气特性实验. 研究结果表明：碳纳米管阴极强流发射时伴随有严重的阴极放气, 阴极放气参与形成阴极等离子体. 对于特定的几次实验, 通过数值积分估算了阴极材料的放气量为0.8—1.12Pa·L, 释放的气体分子数目与电子数目之比为254—203, 说明阴极等离子体为弱电离等离子体. 分析了二极管电压、发射电流密度、放气量以及放气分子数目/电子数目之间的关系     

碳纳米管端口的场蒸发

将单根多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube,MWCNT)组装在W针尖上并送入超高真空场发射/场离子显微镜(Ultrahigh Vacuum Field-emission/Field-Ion microscope,UHV-FEM/FIM)进行场蒸发及场发射研究.结果表明,场蒸发可以降低MWCNT的逸出功,从而增强其场发射能力.估算MWCNT的蒸发场低于1.3×10⁸V·cm^-1,且在此场强下的平均蒸发速率为9.4nm·min^-1.定性讨论了MWCNT的蒸发场大大低于C的理论值的原因.首先,通过场解吸获得的清洁端口上有较多悬挂键,平均每个C原子的配位数较小,所以升华热较低.其次,可能存在于MWCNT中的H原子会在强场下碰撞端口的C原子,使其更易蒸发.以上结果显示了利用场蒸发剪短碳纳米管从而改善其场发射特性的可行性. 关键词： 碳纳米管 场蒸发 场发射     

碳纳米管的变温场发射

考察了温度变化对沉积在钨丝针尖上的碳纳米管场发射的影响，发现碳纳米管场发射电流随温度升高而增大，场发射电流的稳定性基本没有变化. 多根碳纳米管的场发射特性随温度变化出现偏离Fowler-Nordheim理论的现象，这种现象可能来自碳纳米管的不均匀性.     

Coherent field emission from a multi-walled carbon nanotube with two open-ended branches

Interference fringes are obtained in a field-emission microscopy (FEM) study of a multi-walled carbon nanotube (MWCNT) with two open-ended branches. The FEM pattern, which is composed of three parallel streaks, can be interpreted by using classical Young's double-slit interference with the ends of the two MWCNT branches treated as two secondary sources of the electron wave. The origin of the coherency of the electron beams from the two branches is discussed on the basis of the quantitative analysis of the FEM pattern. The result suggests a new approach to obtaining a coherent electron source.     

场发射冷阴极微栅孔阵列制备技术

实现了一种采用聚苯乙烯纳米球自组装技术和微机械制造技术加工的场发射阴极用亚微米栅极微孔阵列。设计了一套完整的工艺实验方案,首先采用微球自组装技术获得了亚微米级金属网孔掩膜,然后通过反应离子刻蚀技术获得了亚微米栅极孔阵列,从而实现了集成度高、分布均匀的周期性亚微米孔洞阵列的制备,微孔集成度达到108cm-2。实验研究了氧气刻蚀聚苯乙烯微球的规律。采用金属掩膜,四氟化碳干法刻蚀二氧化硅,获得了深度为500 nm的微孔。实验结果证明该工艺方案是一种获得大面积、均匀分布、集成度高的场发射冷阴极栅孔阵列的有效方法。     

碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究

采用丝网印刷和涂敷方法制备了两种碳纳米管阴极，并研究了两种阴极的强流脉冲发射特性，表征了阴极表面碳纳米管的形貌及分布.研究结果表明在脉冲宽度为100 ns、电压为1.64×10⁶ V的脉冲电场下，涂敷法制备阴极的场发射电流最高达5.11 kA，最高发射电流密度达260 A/cm².丝网印刷法制备阴极的场发射稳定性优于涂敷法制备阴极，但其发射电流低.阴极表面发射体的形貌与分布影响了阴极的脉冲发射性能.碳纳米管阴极的脉冲发射机理为爆炸电子发射.碳纳米管阴极可以作为强 关键词： 碳纳米管 阴极 脉冲发射 强电流     

场发射冷阴极微栅孔阵列制备技术

实现了一种采用聚苯乙烯纳米球自组装技术和微机械制造技术加工的场发射阴极用亚微米栅极微孔阵列。设计了一套完整的工艺实验方案,首先采用微球自组装技术获得了亚微米级金属网孔掩膜,然后通过反应离子刻蚀技术获得了亚微米栅极孔阵列,从而实现了集成度高、分布均匀的周期性亚微米孔洞阵列的制备,微孔集成度达到108cm-2。实验研究了氧气刻蚀聚苯乙烯微球的规律。采用金属掩膜,四氟化碳干法刻蚀二氧化硅,获得了深度为500 nm的微孔。实验结果证明该工艺方案是一种获得大面积、均匀分布、集成度高的场发射冷阴极栅孔阵列的有效方法。