高强度碳纳米管薄膜冷阴极的制备、表征及性能检测

发布时间：2020-05-10 09:19

【摘要】：碳纳米管(CNT)薄膜作为一种优异的冷阴极发射材料,在真空微电子器件中有重要应用。但在强流脉冲发射模式的强电场、中等高真空环境下,CNT薄膜容易因工作过程中的火花或电弧放电产生损坏,并且,在装配过程中容易受到外力剐蹭而脱落,这些不可逆损伤必将对冷阴极性能造成不可恢复的衰减。本文针对铜基底上生长的CNT薄膜界面性能、损伤机制及其改进措施进行了分析,并通过制备CNT/Ag块体复合材料获得了性能更好的冷阴极材料。本文研究了第三相金属对于CNT/铜界面性能改进的效果。采用粉末冶金法在铜粉中掺杂一定量的铬粉,制成块体Cr/Cu复合金属基底,并在其上生长了CNT薄膜。采用场发射测试以及超声剥落试验,定性对比了纯铜和Cr/Cu复合金属基底上CNT的界面性能及其场发射关联特性。结果表明:铜铬基底CNT薄膜在场发射测试中表现出更强的电流发射能力和抗电流损伤能力,界面附着性能与场发射特性之间存在正相关的关系。说明Cr有效改善了铜基底与CNT薄膜之间的界面性能,使其界面结合能力和电流发射能力都得到显著增强。此外,超声试验结果也说明Cr/Cu复合基底上的CNT薄膜具有更好的抗机械损伤性能。本文提出的超声剥落实验方法,是将CNT薄膜置于无水乙醇中进行一定时间的超声剥落实验,并根据基底表面残留情况给出附着性能的定性表征结果。该方法有望通过结合计算机图形分析发展成为半定量表征手段,拓展了弱附着薄膜附着性能表征手段。为了进一步提高碳纳米管冷阴极的抗机械损伤能力,本文制备了块体Ag/CNT复合冷阴极,并研究了其在近似于强流脉冲发射条件的真空环境下的电子发射特性。结果表明,CNT含量的增加有利于场发射性能的提高,块体复合冷阴极多次发射电流密度-场强(J-E)曲线重复特性显著优于薄膜阴极,且发射过程中发生的打火损伤不易造成发射性能的显著下降,甚至可能通过激活体内大量CNT作为新的有效发射点而使发射性能得到提升,因而具有自我修复的能力。用直径为20-30 nm的CNT,按照Ag与CNT的质量比为30:1制得的样品,首次场发射测试在场强为1.9 V/μm时,得到得最大发射电流密度为4.6 mA/cm~2,优于其它类型的碳纳米管。经过多次测量后,场发射性能趋于稳定。本文研究结果对于高功率微波器件、粒子加速器等真空电子器件方面有良好的应用前景。
【图文】：

示意图,电场分布,示意图,电场增强

使碳纳米管薄膜可以成为优异的冷阴日本的 Ise 公司展示了寿命高达 5000 h 的以元[19]。1999 年，德国将碳纳米管薄膜场致发会议。随后，韩国、美国等也加入了碳纳米管管薄膜作为冷阴极的历史发展。管薄膜的场发射射机制的小尖端、大长径比、良好的热稳定性和导电发射材料，在真空微电子器件方面有着很广阔电场增强和缺陷发电。电场增强是由石墨片旋转卷曲而形成的，顶端是有碳原.1 所示：

示意图,结构模块,超高真空,场发射

2 实验准备及实验2 实验准备及实验2.1 超高真空场发射系统场致发射属于冷场发射，需要满足高真空、高电压、阴极的表面逸出功小这三个条件才可以。阴极材料内的自由电子从材料表面逸出到真空中需要做一定的功称为逸出功。自由电子在固体内的能量很小，受表面势垒的约束，只能在固体内部运动，不能自由的逸出表面。通过在固体外面施加一个强电场，表面势垒的高度和宽度会随着这场强的增大而减小，从而使内部电子穿透势垒的概率显著提高，，从而实现逸出固体表面。逸出表面的电子运动无规则，它的电子自由程较小，而真空度能增加电子的自由程，使逸出的电子能按照一定的方向运动，形成定向运动的电子束。超高真空系统的组建就可以满足场致发射的高真空、高电压的条件，而碳纳米管本身的表面逸出功就小。系统的示意图如图 2.1 所示
【学位授予单位】：郑州航空工业管理学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】