阴极材料是场发射器件的核心,对场发射器件的性能起着决定性作用。石墨烯作为一种新型的二维碳材料,由于其独特的结构,极大纵横比和丰富的边缘,极高的载流子迁移率,优异的导热、机械性能以及稳定的物理、化学性质等,非常适合用作场致发射材料。但是,目前石墨烯的开启场强依然过高,发射电流密度过低,稳定性差,不能满足器件寿命和可靠性的需求。从场发射理论分析,主要归结于以下几个因素:石墨烯发射体的功函数较大;受其形貌和分布影响,石墨烯的场增强因子比较小,导致开启场强较高;有效场发射点密度较少,导致发射电流过小;石墨烯发射体与金属电极之间的界面接触很大程度影响了发射体的电子输运和与衬底的力学接触,导致其场致发射的电流密度和稳定性不够理想等。因此,本论文针对以上问题,提出了改进的思路,分别是阴极材料改性和结构优化。具体研究工作将围绕石墨烯场发射阴极的设计、制备和电子发射性能的改善等方面展开,旨在降低石墨烯场发射的开启电场和阈值电场,提高场发射电流密度,改善石墨烯场发射的稳定性,促进石墨烯在场发射领域的应用。本文的主要研究工作及成果如下:1.氮掺杂改性石墨烯和碳纳米管支撑石墨烯结构提高热CVD法石墨烯的场发射性能(a)材料改性:对石墨烯进行氮掺杂,降低石墨烯的功函数,提高载流子浓度,场发射测试结果表明氮掺杂石墨烯的开启电场由本征石墨烯的6.5V/μm降低至1.5V/μm,最大场发射电流密度由本征石墨烯的0.07 mA/cm~2提高至0.9 mA/cm~2,场发射性能有了明显的改善。(b)结构优化:利用碳纳米管阵列支撑石墨烯,充分利用石墨烯的边缘发射,提高石墨烯的场增强因子。该结构利用一维定向生长的碳纳米管支撑石墨烯,使石墨烯置于碳纳米管阵列顶部,利用产生的尖端和边缘作为场发射点,该结构的开启场强仅为1.8V/μm,最大场发射电流密度为2.8mA/cm~2,有效降低了石墨烯的开启场强,提高了场发射电流密度。2.材料改性,采用RF-PECVD法制备缺陷石墨烯降低功函数,提高场发射点密度针对二维石墨烯结构中场发射点密度偏少的问题,提出采用RF-PECVD生长石墨烯场发射阴极,利用产生的sp~3缺陷具有负电子亲和势的特性,有效降低了石墨烯的功函数,并提高了场发射点密度,从而增大场发射电流。结果表明采用RF-PECVD法生长的石墨烯与热CVD法有很大不同,虽然也是平躺分布,但带有明显的缺陷,根据生长参数的不同,缺陷类型也会有所变化,包含了晶界、空位和sp~3型缺陷等,场发射测试结果显示其最低开启电场为1.4V/μm,阈值电场是3V/μm,最大场发射电流密度可以达到1.32 mA/cm~2,场发射性能相比于热CVD生长的石墨烯有了明显的提高。3.结构优化,采用热CVD法直接生长新型花瓣状结构石墨烯阴极提高场增强因子,改善界面接触针对目前石墨烯场增强因子小,石墨烯发射体与金属电极接触情况不理想的问题,提出采用Si片上溅射Cu薄膜作为催化剂,利用Cu-Si之间的去润湿形成的颗粒作为催化剂,通过CVD法获得了一种新型花瓣状结构的石墨烯片层。该结构中的石墨烯实现了不同的取向,与衬底的结合力牢靠,提高了场增强因子,改善了界面的电学和力学接触,适合用作场致发射体,理论模拟和场致发射测试结果也给出了有效的验证。其开启电场仅为1.5V/μm,阈值电场为2.2V/μm,在电场强度为4V/μm时对应的最大场发射电流密度为10.5 mA/cm~2,同时表现出良好的场发射稳定性,在长达10 h的测试中,其电流强度衰减在2%以内。4.引入石墨烯缓冲层,改善界面接触,制备石墨烯基复合阴极提高场发射稳定性一维的氧化锌和碳纳米管也是目前场发射研究的重点,氧化锌的载流子迁移率较差,同时氧化锌和碳纳米管在场发射过程中与衬底之间经常由于接触电阻较大产生大量焦耳热,热量的积聚导致发射体与衬底脱离或损毁,使得器件的稳定性和寿命大大降低。针对以上发射体的电子传输和界面热传导的问题,提出以石墨烯作为缓冲层,分别通过水热法和湿法转移法制作了石墨烯-氧化锌、石墨烯-碳纳米管复合式阴极,改善了氧化锌和碳纳米管与衬底间的电学和热学接触。通过场发射性能测试可知,石墨烯-氧化锌复合阴极的开启场强为和阈值场强分别为1.6V/μm和3.7V/μm,而单纯氧化锌的开启场强和阈值场强分别为2.8V/μm和4.5V/μm,复合前后变化明显。场发射稳定性的对比测试中,经过5h的发射,石墨烯-氧化锌复合阴极的衰减为3%,而单纯氧化锌的衰减达到9%,同时石墨烯-氧化锌复合阴极的场发射均匀性更好,有效场发射点的数量更多。同样,对于石墨烯-碳纳米管复合阴极,在3.25V/μm时达到1670μA的最大电流值,而单纯的碳纳米管阵列相同电场下的电流仅为950μA。在5h的场发射稳定性的对比测试中,石墨烯-碳纳米管复合阴极的衰减低于2%,而碳纳米管阵列的衰减高达12%。
【学位单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TQ127.11;TB383.1;O462.4
【部分图文】: 石墨烯组成不同维度碳材料示意图
石墨烯结构示意图
图 1-3 石墨表面示意图[6]米材料不同,石墨烯是一种零带隙的半导体,显示出半金属独特的能带结构。理想石墨烯的能带是由完全对称的锥形价的分布在费米能级的上下两侧并相交于费米能级的 6 个顶点
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本文编号:
2861721