碳纳米管场发射阴极脉冲电流发射特性的研究 精灵论文.doc

《碳纳米管场发射阴极脉冲电流发射特性的研究 精灵论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳纳米管场发射阴极脉冲电流发射特性的研究 精灵论文.doc（7页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、碳纳米管场发射阴极脉冲电流发射特性的 研究张晓兵，雷威，王保平5（东南大学电子科学与工程学院，南京 210096） 摘要：碳纳米管具有非常好的场致发射性能，在微波电子器件有重要的应用前景。在大量的 电子器件中场致发射电子源都是处于脉冲工作模式，由于场致发射具有非常强的非线性，场 致发射电子源的脉冲工作特性和普通的电路元件脉冲驱动性能有较大的不同。本文深入研究 了碳纳米管阴极在脉冲驱动条件下的电流发射特性，并提出了相应的测试方法，实验测量了10碳纳米管阴极的脉冲电流波形。另外，本文还通过实验研究观察到了比较稳定的爆炸式场致 发射，探索了碳纳米管场发射阴极高能器件应用的新途径。 关键词：物理电子；

2、碳纳米管；脉冲发射中图分类号：TN1215Investigation of the pulsed emission current from carbon naotubes cathodeZHANG Xiaobing, LEI Wei, WANG Baoping(School of Electronic Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)Abstract: IDue to the excellent field emission performance, carbon nanotube has a goo

3、d application in20the microwave tube. In many field emission devices, the carbon nanotubes cathode works in a pulsed driving mode. Because the electron beam resistance between cathode and anode is very non-linear in a field emission electron source, the pulsed driving performance of the carbon nanot

4、ubes cathode is quite different from other electronic circuits. In this paper, the pulsed driving model of CNTs cathode is investigated. A method is proposed to measure the pusled emission current. Apart from this, a stable25explostive emission is observed during the experiment. This may be another

5、way regarding electron sources for the high power field emission devices.Key words: Physical electronic; Carbon nanotube; Pulsed emission0引言30纳米场发射材料具有较高的长径比，很好的化学稳定性、热稳定性以及优良的机械性能， 在平板显示器件、冷阴极微波器件、X 射线管及直线加速器等有重要的潜在应用1。在平板 显示器件中，场发射冷阴极需要提供大面积（几十平方英寸）的均匀发射，但是对发射电流 密度要求不高，通常 1mA/cm2 的发射电流密度即能够达到设计要求。

6、在微波器件中，阴极 发射面积较小（数平方厘米以内），但是对场致发射冷阴极的电流支取能力有非常高的要求，35通常需要提供数十安培/平方厘米的电流密度及数十毫安的发射电流。特别是在某些高能器 件，如直线加速器和高功率微波源，则需要更高的发射电流。但是在这些高能电子器件中， 电子源仅需要产生很窄的脉冲发射。因此，研究场致发射电子源的脉冲电流发射特性对场致 发射阴极在高能器件中的应用具有重要意义。由于场致发射具有非常强的非线性，场致发射电子源的脉冲工作特性与普通电路元件的基金项目：教育部博士点基金(20070286054)；国家自然基金(50872022, 60801002, 60971017)；外国

7、青年学 者研究基金(51050110142)作者简介：张晓兵(1968 年出生），男，教授，主要研究方向：真空电子技术、纳米材料、显示技术. E-mail:bell40脉冲驱动性能有较大的不同，特别是高场强下还可以观察到爆炸式场致发射。关于爆炸式电 子发射的机理目前尚不十分清楚，通常的解释是在阴极和阳极之间施加一脉冲高压，在电压 的脉冲前沿（上升沿），阴极发射体产生场致发射。场致发射电流随阳极电压的增加而增加， 当场发射电流密度增加到一定程度，由于发射电流对微尖的加热，尖端材料分子向空间蒸发， 在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的场发射电子电离，使发射电45流进一步增加。发

8、射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔 化和爆炸，这些分子被蒸发到空间，随即被电子所电离，最后形成包围整个阴极的等离子体 壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀。等离子体向阳极的扩展过程中，等离子体 提供丰富的电子源，从而能够支取很大的瞬间电流。人们最初采用天鹅绒阴极实现爆炸式电 子发射，但是其多脉冲的重复性较差。近年来更多的研究工作集中在采用新的纳米材料实现50爆炸式电子发射2-5。 本文研究碳纳米管阴极在脉冲驱动下的电流发射特性，并探索碳纳米管阴极的爆炸式电子发射性能。1碳纳米管阴极的脉冲发射特性在直流驱动模式下, 场致发射电流密度大致可以由 Fowler-N

9、ordeim 公式估算6755J = 1.54 10 6E 2 exp 6.87 10 7 3 2 v( y)A cm2(1)t 2 ( y) E其中 E 是发射体尖端电场强度，单位V cm ,v( y) 和t 2 ( y)是由电场决定的椭圆函数, 是发射材料的功函数，单位为 eV , y 是镜像电荷, 它降低了有效功函数，通常 y 可以表示为 y = 3.79 104 E 1 2 。对大多数场发射阴极，可以采用以下近似：t 2 ( y) = 1.1和 v( y) = 0.95 y 2 .60在公式 (1)中，发射体尖端的电场强度可以表示为E = V d(2)其中 V 是阳极上所施加的电压,

10、d 时阴极与阳极之间的距离，是电场增强因子，它是 由发射体的几何形状和尺寸决定的。如式(1)和式(2)所示，场致发射电流与所施加的阳极电 压呈指数关系。因此，场致发射二极管中阴极与阳极之间的电子束电阻不是常数。场发射二65极管的电路模型如图 1 所示8。IaVa CRbeamVsIeVeRePower Source图 1. 碳纳米管阴极脉冲电流发射的电路模型Fig.1 Electronic circuit model for the pulsed emission from a CNTs cathode70在图 1 中，电容 C 是阴极与阳极之间的分布电容，它决定于阴极、阳极面积及其间距。Rb

11、eam 是阴极和阳极之间的等效电阻，它可以表示为阳极电压和场致发射电流的比值。显然， Rbeam 是一个由阳极电压和发射体场发射特性决定的可变电阻。当阳极电压低于开启电压 时，场发射电流很小，因此 Rbeam 近似认为是无穷大。当阳极电压高于阈值电压，场发射电 流很高，因此 Rbeam 可近似认为为零。在图 1 中 Re 是外接电阻，它也包含导线等形成的电75阻，在场发射过程中可认为是常数。根据以上电路模型，我们可以得到：C dVa + i= V VR(3)aa (V )( sdta )e在上式中，场致发射电流 Ia 是阳极电压 Va 的函数，它可以由式(1)和式(2)获得。 为了实验测试碳纳

12、米管阴极的脉冲场致发射特性，本文提出并搭建了图 2 所示的测试系统。与普通的脉冲电路不同，在场致发射器件测试中，因为需要测试很大的场致发射电流，80通常需要加载几千伏的阳极脉冲电压。采用半导体器件很难实现幅值很高的脉冲电压，因此 本文选择图 2 所示的电磁继电器实现脉冲高压的加载。在图 2 所示测量电路中，输入直流高压通过继电器 1、限流电阻 1 和限流电阻 2，形成 脉冲高压加载于阳极上。由于阴极和阳极之间存在较大的电容，为了保证占空比之外阳极处 于低电压状态，即占空比外碳纳米管阴极处于不发射状态，我们通过限流电阻 2 和继电器 285对占空比外的阳极进行放电。为了测量脉冲场致发射电流波形，

13、我们在阴极上连接一个较小 的读数电阻，通过示波器测量读数电阻两端的电压值，即可获得碳纳米管阴极脉冲电流波形。9095100图 2. 碳纳米管阴极的脉冲场致发射性能测试Fig.2 Measurement of the pulsed emission from a CNTs cathode2实验结果及分析利用前面讨论的测试系统，本文实验测量了碳纳米管阴极的脉冲场致发射特性。我们和 剑桥大学 Center of Advanced Photonic Electronic 合作，利用电子束刻蚀和 CVD 生长的方法 制备了碳纳米管阴极。图 3 是扫描电子显微镜分析得到的本文使用的碳纳米管阴极形貌。(a)

14、 (b)图 3. 碳纳米管阴极形貌。(a). 低倍率 SEM 照片；(b). 高倍率 SEM 照片Fig.3 Morphology of CNTs cathode. (a). SEM picture with low magnification; (b). SEM picture with high magnification105图 3 (a)显示的是碳纳米管阴极的一个单元，其单元尺寸为 300m300m。整个阴极由55 个单元组合而成。将碳纳米管阴极分为若干单元的目的是尽量降低碳纳米管之间的电 场屏蔽效应，以希望获得更大的发射电流。基于同样的目的，每个单元内碳纳米管也是按照 方格图案生长，

15、图 3(b)是碳纳米管的高倍率 SEM 图片。从中可以看出碳纳米管的直径小于10nm。在测试中阳极电压脉冲的周期为 100ms，脉冲宽度为 2ms，因此占空比 1:50。图 4 是本 文测试得到的碳纳米管阴极脉冲发射电流波形。图 5 则是测试得到的场致发射 I-V 曲线。110115120125(a) (b)图 4. 碳纳米管阴极脉冲电流发射特性。(a). 多脉冲电流发射；(b). 单个脉冲放大。Fig.4 Pulsed field emission from CNTs cathode. (a). Waveform of current of multiple pulses; (b). Wav

16、eform for a single pulse图 5. 碳纳米管阴极脉冲场致发射 I-V 曲线，左上角为 FN 关系Fig.5 Pulsed field emission performance of CNTs cathode. The inset is the FN plotting从图 4 和图 5 可以看出，本文所采用的碳纳米管阴极，其脉冲场致发射仍然符合经典的 Fowler-Nodherim 公式。但是我们可以观察到其电流脉冲有一些较小的波动，这可能是由于 场发射阴极脉冲工作时非线性电阻和电容共同作用的结果，参考文献10给出了较详细的分 析，本文不在此累述。当我们继续增加阳极电压至

17、2800V 以上，从示波器上观察到发射电流的迅速上升， 其波形如图 6 所示。当碳纳米管阴极产生爆炸式发射以后，阳极电压不能进一步增加，此时 场致发射二极管可以近似认为是电流源。与以前报道的爆炸式发射有所不同，本文采用的碳 纳米管阴极可以实现多脉冲相对稳定的发射。如图 6(a)所示，我们观察到 19 个相对稳定发 射的电流脉冲，其脉冲电流峰值高达 110mA 以上。130(a) (b)135140145150155160(c)图 6. 碳纳米管阴极的多脉冲爆炸式场致发射。(a). 多脉冲电流发射脉冲；(b). 单个脉冲放大；(c). 爆炸式发射峰值Fig.6 Explosive field e

18、mission waveforms.(a). multiple pulses waveforms; (b). Magnified waveform for a single pulse; (c). Waveform of explosive emission current从图 6(b)给出的单个脉冲放大波形可以看出，此时的电流发射性能与图 4(b)所示的场致 发射电流波形有较大的不同。可以认为是在原有的场致发射电流波形上叠加若干宽度较窄的 高电流脉冲。从图 6(c)所示的爆炸式发射电流中可以看出，每个爆炸式发射电流的窄脉冲宽 度大约为 10s。产生图 6(a)所示的爆炸式发射原因可能是大场致

19、发射电流引起二极管之间残余气体电 离，从而形成较大的极间电流。但是由于碳纳米管本身稳定性较好，且与衬底之间有较好的 附着能力，所以发射材料的溅射和蒸发较小，从而出现了多个脉冲的稳定发射。3结论本文研究了碳纳米管阴极的脉冲场致发射特性，并提出了一种测试其脉冲发射性能的方 法。从实验研究结果可以看出，本文所采用的碳纳米管具有较好的脉冲电流发射能力，从6.25mm2 面积上获得了 18mA 脉冲峰值电流。 随着阳极电压的进一步升高，我们观察到明显的爆炸式电流发射，其电流峰值大于110mA。因为本文采用的碳纳米管阴极具有非常好的稳定性和衬底附着能力，所得到的爆炸 式发射可以实现多脉冲的稳定发射，这为碳

20、纳米管阴极在高能器件中的应用探索了新的道 路。致谢本文研究工作受到教育部博士点基金(20070286054)，国家自然基金(50872022, 60801002,60971017) ，国家重点基础研究发展计 划(2010CB327705) ，国家高技术研究发展 计划 (2008AA03A314) ，高 等学 校学 科创 新引 智计 划 (B07027) 和外 国青 年学 者研 究基 金 (51050110142)的资助，在此表示衷心感谢。165170175参考文献 (References)1 W. A. De Heer, A Chatelain, and D. Ugarte, Science

21、270, 1179, 19952 Price D., J., and Benford J. N., General scaling of pulse shortening in explosive-emission-driven microwave sources， IEEE Trans. Plasma Sci., 1998, 26, 2563 I. Koudela, M. Miler, and I. Aubrecht, Parameters of decentered Gaussian beams, Proc. SPIE, 1998, 3320, 74 4 Nation J. A., Sch

22、achter L., Mako F.M. etal,Advances in cold cathode physics and technology ; Proc. IEEE,1999, 87, 1855 E. Garate, R. D. McWilliams, D. E. Voss,and etal., Novel cathode for field-emission applications, Rev. Sci. Instrum., 1995, 66, 25286 C.A.Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and etal., Physical properti

23、es of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones, J. Appl. Phys.,1976, 47(12),52487 Q. H. Wang, T. D. Corrigan, J. Y. Dai, and etal., Field emission from nanotube bundle emitters at low fields,Appl. Phys. Lett., 1997, 70 (24), 33088 L. Wei, Z. Xiaobing, L. Chaogang, and etal.,Very High Field-Emission Current From a Carbon-NanotubeCathode With a Pulse Driving Mode, IEEE Electron Dev. Lett., 2009, VOL. 30, NO. 5, 571