碳纳米管场发射电子源

【摘要】：碳纳米管(CNTs)的特殊电学特性为科学家所关注,特别是研究用其构造纳电子器件和场发射器件。前者是尝试构造不同于微电子的能进行量子信息加工集成电路的基本元件,是属于长期研究目标;而后者是近期可能研制成高分辨的平板显示器和新型电子源,本文侧重在后者,在新型电子源研究方面已经做了大量有特色的工作,包括碳纳米管膜的场发射,碱金属掺杂场发射,阵列组装场发射,单根多壁碳管(MWNTs)场发射,以及单根单壁碳纳米管(SWNTs)场发射等。关于碳纳米管结构和特性的理论,特别是电学特性也做了较系统的研究,得到了一些重要结论。这些是我们进一步深入研究的基础。但对于SWNTs的研究,特别是实验上进行组装和测量有一定难度,一些有意义的工作还刚刚开始。我们从实验和理论上对单根CNT作为场发射电子源进行了研究。将CNT组装在钨(W)丝针尖的前端作为场发射电子源的样品,其典型结构是200nm长的CNT组装在直径0.3mmW丝用电化学腐蚀出曲率半径约为100nm的针尖前端,这个结构作为场发射阴极。在模型上W丝为发射阴极的电子库,CNT为能满足电子弹道输运条件的导体,W丝与CNT之间形成化合物WC,为低势垒连接导体。在这个原型结构中,电子库有足够大的体积和电子数量,保证对CNT足够大电流供给,在电子结构上不会由于取出或加入有限个电子而影响库的主要电学参量。WC结合区有相当大的力学强度和很小的电阻,保证阴极的稳定和电流输运。SWNT应满足室温下无电阻条件和有利电子束稳定发射的振动条件。利用透射电镜/扫描探针显微镜(TEM/SPM)和场发射显微镜/场离子显微镜(FEM/FIM)对CNTs的场发射特性进行了实验研究。也用配有四极质谱计的超高真空场发射显微镜(FEM)系统,研究了CNTs的加热处理过程中的气体脱附特性及其对场发射的影响,结果表明当吸附气体彻底脱附时得到最稳定的场发射。在这种最清洁的状态下,观测到SWTN端口的原子分辨像。对于(9,9)管计算模拟结果表明,在端口发生了二聚化重构,计算与实验结果很好一致。这些结果对CNTs的场发射特性和作为新型电子源的应用都是有重要意义的。观测了场发射与原子结构的关系,得到了一些有意义的数据。同时从密度泛函理论出发,利用相关程序模拟计算了单壁碳纳米管(SWNTs)的态密度、电势分布,重点讨论了荷电特性。发现SWNTs荷电体系的总能量是抛物线形式变化,先减小,达到最小值,之后增加。通常荷4个电荷时达到最小值,即体系的最稳定状态。表明SWNTs有很大的电负性,是容易发生凝聚和吸附分子的根源。进而计算了对氧和水的吸附特性,讨论了吸附对场发射的影响。