基于金属纳米颗粒修饰的图案化碳纳米管光阴极的研究
发布时间：2021-06-26 21:48
传统的光阴极材料一般为碱金属（合金）以及具有负电子亲和势的III-V族半导体,主要的特点是量子效率较高,但是对使用环境要求很严苛。与传统光阴极材料相比,一维的纳米材料碳纳米管虽然在稳定性、制备及保存成本、使用寿命等方面具有一定的优势,但是也存在一个很大的问题就是量子效率较低,碳纳米管的优越性能仍然没有完全释放出来。本文分析了基于碳纳米管的光电发射电子源的特征,针对当前其量子效率与实用化指标差距较大的瓶颈问题,提出两种方法以提升其量子效率:图案化处理的方法以充分增强边缘效应;利用金纳米颗粒修饰碳纳米管表面,借助等离激元共振效应来实现增强的光吸收和局域电场增强。本文的主要研究内容及成果如下:（1）利用紫外光刻工艺以及化学气相沉积的方法制备完成20μm×20μm的正方形阵列碳纳米管,并且搭建了高真空光电测试平台。在800 nm飞秒脉冲激光的激励下测试光电发射性能,测试结果表明图案化处理后碳纳米管光阴极的量子效率从1.23×10-5提升到4.51×10-5,分析其光电发射机制为光致场发射。并且制备了不同占空比的碳纳米管阵列阴极,测试表明图案化处理均可...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
垂直碳纳米管阵列的光辅助电子发射研究
东南大学硕士学位论文4图1-2碳纳米管光电发射性能测试：（a）激光功率与光电流关系曲线；（b）场发射拟合曲线但是，目前在利用一维碳纳米管材料作为光电发射载体的研究中，由于碳纳米管功函数较高（约5.0eV），除深紫外或紫外光波段激发外，其他较长波长光的激发下，电子发射的效率虽然比金属材料阴极高2-3个数量级（约10-6），但仍难以达到实用化要求；而以红光附近的长波长激光进行照射时，温度升高引起的热发射为电子发射的主导机制，热发射的电子束能散较大且响应时间较长，不利于高重频、高功率的电子束应用[29]。因此，想要将碳纳米管应用到超短脉冲激光激发的高重频、高功率光电阴极中，其量子效率还需要进一步的提升。1.3碳纳米管的物理特性与制备1991年日本NEC公司的S.Iijima用高分辨透射电镜观察石墨电极放电制备球状碳分子产物时，意外地发现了多壁碳纳米管（如图1-3（a）所示）[30]。1993年，S.Iijima分别采用了Fe和Co作为催化剂掺杂在石墨电极中进行弧光放电[31]，宣布发现了单壁碳纳米管（如图1-3（b）所示）。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成单层到数十层的同轴圆管[32]，即由碳原子形成的二维单层石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空的圆柱状管体，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，管直径一般约2nm-20nm，长度一般可达到微米甚至毫米量级[33]。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可以把其看成准一维纳米材料[34]。碳纳米管作为一种稳定的准一维纳米导电材料，该结构主要由C-C的sp2杂化所决定[35]，根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成扶手椅型、锯齿形和手性型三种，其中扶手椅型和锯齿型均为非手性型（对称型）碳纳米管[32]。按照碳纳米管的导电性能，可分为导体性管（即金属性管）和半导
第一章绪论5纳米管的直径和螺旋角[36]。对于半导体单壁碳纳米管，其带隙宽度与其直径成反比关系，且碳纳米管中的结构缺陷可以改变碳纳米管的电学性能[37]。图1-3碳纳米管结构图：（a）单壁碳纳米管；（b）多壁碳纳米管的结构示意图这种独特的结构使得碳纳米管具有独特的性质：化学和电学特性极为稳定，机械强度高（单壁碳纳米管的杨氏模量可达到1TPa以上），是良好的热导体且热稳定性好（轴向导热系数高达6600W/(m·K)），对光波的吸收率高，是一种探索基本一维电子输运现象的理想材料[38]。在各种可能的应用中，最重要、最吸引人的是其作为电子器件。碳纳米管独特的结构大大降低了载流子输运过程中遇到的散射，因此具有超高的载流子迁移率和超长的平均自由程，这将令碳纳米管器件在速度和功耗方面具有显著优势。目前，主流的碳纳米管的制备方法有三种：电弧放电法[39]、激光蒸发法[40]和化学气相沉积法[41]。最早被科学家用来制备碳纳米管的方法是电弧放电法[39]，电弧放电法的基本原理是在惰性气体的环境下，将两个石墨棒作为阴阳极，然后在阴阳极之间加高压致使产生电弧放电。阴阳极间隔大约一毫米至两毫米，在电弧放电过程中阴阳极温度急剧升高，石墨电极在高温下蒸发，蒸发的碳原子一部分会在阴极尖端凝固沉积从而形成碳纳米管。电弧放电法制备碳纳米管的特点是简单快速，但是由于在电弧放电时的温度在3000℃以上，碳纳米管在沉积时容易被烧结成束，而且束中还存在很多非晶碳杂质[42]。激光蒸发法的原理和电弧放电法类似，一般使用高功率激光器，在惰性气体（通常为氩气）的环境下将含有纯石墨块的石英管加热至石墨块蒸发，石墨蒸发后在基底上凝结沉积成碳纳米管[43]。这两种方法有一个共同的缺点，无法对碳纳米管的长度和
【参考文献】：
期刊论文
[1]CAEP太赫兹自由电子激光首次饱和出光[J]. 黎明,杨兴繁,许州,束小建,鲁向阳,黄文会,王汉斌,窦玉焕,沈旭明,单李军,邓德荣,徐勇,柏伟,冯第超,吴岱,肖德鑫,王建新,罗星,周奎,劳成龙,闫陇刚,张鹏,张浩,和天慧,林司芬,潘清,李相坤,李鹏,刘宇,杨林德,刘婕,张德敏,李凯. 强激光与粒子束. 2017(10)
[2]基于光谱椭偏仪的纳米光栅无损检测[J]. 马智超,徐智谋,彭静,孙堂友,陈修国,赵文宁,刘思思,武兴会,邹超,刘世元. 物理学报. 2014(03)
[3]高平均功率太赫兹自由电子激光装置设计[J]. 许州,杨兴繁,黎明,束小建,鲁向阳,黄文会,窦玉焕,王汉斌,柏伟,沈旭明,徐勇,邓德荣,单李军,张德敏,陈亚男. 太赫兹科学与电子信息学报. 2013(01)
[4]电阻热蒸发镀膜与电子束蒸发镀膜对纳米球刻蚀方法制备二维银纳米阵列结构的影响[J]. 罗银燕,朱贤方. 物理学报. 2011(08)
[5]碳纳米管膜的制备及其研究进展[J]. 邢丽,向军辉,张复实,杨镜奎. 世界科技研究与发展. 2009 (03)
[6]紫外可见分光光度计及其应用[J]. 吴文铭. 生命科学仪器. 2009(04)
[7]清华大学汤姆逊散射超短脉冲X射线源研究[J]. 杜应超,黄文会,颜立新,何小中,向导,唐传祥,林郁正. 强激光与粒子束. 2009(02)
[8]纳米加工技术及其应用[J]. 张兰娣,温秀梅. 河北建筑工程学院学报. 2003(03)
[9]电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究[J]. 陈荣发. 真空. 2003(02)
[10]化学气相沉积（CVD）炭/炭复合材料（C/C）研究现状[J]. 程永宏,罗瑞盈,王天民. 炭素技术. 2002(05)
博士论文
[1]能量连续可调激光康普顿散射光源的研制和相关应用研究[D]. 许杭华.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
[2]ZnO薄膜制备及性质研究[D]. 马勇.重庆大学 2004
硕士论文
[1]薄膜厚度的椭圆偏振光法测量[D]. 王益朋.天津大学 2010
[2]碳纳米管的低压化学气相沉积法制备及其应用研究[D]. 庞飞燕.华东师范大学 2009
本文编号：3252149
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
垂直碳纳米管阵列的光辅助电子发射研究
东南大学硕士学位论文4图1-2碳纳米管光电发射性能测试：（a）激光功率与光电流关系曲线；（b）场发射拟合曲线但是，目前在利用一维碳纳米管材料作为光电发射载体的研究中，由于碳纳米管功函数较高（约5.0eV），除深紫外或紫外光波段激发外，其他较长波长光的激发下，电子发射的效率虽然比金属材料阴极高2-3个数量级（约10-6），但仍难以达到实用化要求；而以红光附近的长波长激光进行照射时，温度升高引起的热发射为电子发射的主导机制，热发射的电子束能散较大且响应时间较长，不利于高重频、高功率的电子束应用[29]。因此，想要将碳纳米管应用到超短脉冲激光激发的高重频、高功率光电阴极中，其量子效率还需要进一步的提升。1.3碳纳米管的物理特性与制备1991年日本NEC公司的S.Iijima用高分辨透射电镜观察石墨电极放电制备球状碳分子产物时，意外地发现了多壁碳纳米管（如图1-3（a）所示）[30]。1993年，S.Iijima分别采用了Fe和Co作为催化剂掺杂在石墨电极中进行弧光放电[31]，宣布发现了单壁碳纳米管（如图1-3（b）所示）。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成单层到数十层的同轴圆管[32]，即由碳原子形成的二维单层石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空的圆柱状管体，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，管直径一般约2nm-20nm，长度一般可达到微米甚至毫米量级[33]。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可以把其看成准一维纳米材料[34]。碳纳米管作为一种稳定的准一维纳米导电材料，该结构主要由C-C的sp2杂化所决定[35]，根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成扶手椅型、锯齿形和手性型三种，其中扶手椅型和锯齿型均为非手性型（对称型）碳纳米管[32]。按照碳纳米管的导电性能，可分为导体性管（即金属性管）和半导
第一章绪论5纳米管的直径和螺旋角[36]。对于半导体单壁碳纳米管，其带隙宽度与其直径成反比关系，且碳纳米管中的结构缺陷可以改变碳纳米管的电学性能[37]。图1-3碳纳米管结构图：（a）单壁碳纳米管；（b）多壁碳纳米管的结构示意图这种独特的结构使得碳纳米管具有独特的性质：化学和电学特性极为稳定，机械强度高（单壁碳纳米管的杨氏模量可达到1TPa以上），是良好的热导体且热稳定性好（轴向导热系数高达6600W/(m·K)），对光波的吸收率高，是一种探索基本一维电子输运现象的理想材料[38]。在各种可能的应用中，最重要、最吸引人的是其作为电子器件。碳纳米管独特的结构大大降低了载流子输运过程中遇到的散射，因此具有超高的载流子迁移率和超长的平均自由程，这将令碳纳米管器件在速度和功耗方面具有显著优势。目前，主流的碳纳米管的制备方法有三种：电弧放电法[39]、激光蒸发法[40]和化学气相沉积法[41]。最早被科学家用来制备碳纳米管的方法是电弧放电法[39]，电弧放电法的基本原理是在惰性气体的环境下，将两个石墨棒作为阴阳极，然后在阴阳极之间加高压致使产生电弧放电。阴阳极间隔大约一毫米至两毫米，在电弧放电过程中阴阳极温度急剧升高，石墨电极在高温下蒸发，蒸发的碳原子一部分会在阴极尖端凝固沉积从而形成碳纳米管。电弧放电法制备碳纳米管的特点是简单快速，但是由于在电弧放电时的温度在3000℃以上，碳纳米管在沉积时容易被烧结成束，而且束中还存在很多非晶碳杂质[42]。激光蒸发法的原理和电弧放电法类似，一般使用高功率激光器，在惰性气体（通常为氩气）的环境下将含有纯石墨块的石英管加热至石墨块蒸发，石墨蒸发后在基底上凝结沉积成碳纳米管[43]。这两种方法有一个共同的缺点，无法对碳纳米管的长度和
【参考文献】：
期刊论文
[1]CAEP太赫兹自由电子激光首次饱和出光[J]. 黎明,杨兴繁,许州,束小建,鲁向阳,黄文会,王汉斌,窦玉焕,沈旭明,单李军,邓德荣,徐勇,柏伟,冯第超,吴岱,肖德鑫,王建新,罗星,周奎,劳成龙,闫陇刚,张鹏,张浩,和天慧,林司芬,潘清,李相坤,李鹏,刘宇,杨林德,刘婕,张德敏,李凯. 强激光与粒子束. 2017(10)
[2]基于光谱椭偏仪的纳米光栅无损检测[J]. 马智超,徐智谋,彭静,孙堂友,陈修国,赵文宁,刘思思,武兴会,邹超,刘世元. 物理学报. 2014(03)
[3]高平均功率太赫兹自由电子激光装置设计[J]. 许州,杨兴繁,黎明,束小建,鲁向阳,黄文会,窦玉焕,王汉斌,柏伟,沈旭明,徐勇,邓德荣,单李军,张德敏,陈亚男. 太赫兹科学与电子信息学报. 2013(01)
[4]电阻热蒸发镀膜与电子束蒸发镀膜对纳米球刻蚀方法制备二维银纳米阵列结构的影响[J]. 罗银燕,朱贤方. 物理学报. 2011(08)
[5]碳纳米管膜的制备及其研究进展[J]. 邢丽,向军辉,张复实,杨镜奎. 世界科技研究与发展. 2009 (03)
[6]紫外可见分光光度计及其应用[J]. 吴文铭. 生命科学仪器. 2009(04)
[7]清华大学汤姆逊散射超短脉冲X射线源研究[J]. 杜应超,黄文会,颜立新,何小中,向导,唐传祥,林郁正. 强激光与粒子束. 2009(02)
[8]纳米加工技术及其应用[J]. 张兰娣,温秀梅. 河北建筑工程学院学报. 2003(03)
[9]电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究[J]. 陈荣发. 真空. 2003(02)
[10]化学气相沉积（CVD）炭/炭复合材料（C/C）研究现状[J]. 程永宏,罗瑞盈,王天民. 炭素技术. 2002(05)
博士论文
[1]能量连续可调激光康普顿散射光源的研制和相关应用研究[D]. 许杭华.中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) 2017
[2]ZnO薄膜制备及性质研究[D]. 马勇.重庆大学 2004
硕士论文
[1]薄膜厚度的椭圆偏振光法测量[D]. 王益朋.天津大学 2010
[2]碳纳米管的低压化学气相沉积法制备及其应用研究[D]. 庞飞燕.华东师范大学 2009
本文编号：3252149
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3252149.html
