碳納米管復(fù)合材料制備及其場發(fā)射特性研究

滕正福

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

碳納米管復(fù)合材料制備及其場發(fā)射特性研究

滕正福

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

真空微電子器件的核心部分就是場發(fā)射陰極，場發(fā)射陰極性能好壞會對真空微電子器件的整體性能造成直接的影響，所以，適用的場致發(fā)射陰極材料有利于對場發(fā)射陰極制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時也是對真空微電子器件進(jìn)行研究的重點。本文主要對場發(fā)射的理論以及應(yīng)用做了闡述與介紹。

納米管；復(fù)合材料；場發(fā)射；研究特性

場發(fā)射陰極是一種新型的電子源，場發(fā)射陰極得到業(yè)界的廣泛關(guān)注是因為美國C.Spindt提出列陣陰極。但是Spindt陰極的制作工藝較為復(fù)雜，除此之外對電壓的要求也非常高，所以制作工藝不容易實現(xiàn)。人們經(jīng)過長時間的研究和探索，以發(fā)射場理論為依據(jù)，終于發(fā)現(xiàn)了具有較好的發(fā)射場特性的材料—碳材料，經(jīng)過不斷地研究和篩選，最終鎖定在碳納米管上，碳納米管由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使其比其他碳材料更具發(fā)射場的特性。

1 發(fā)射場的概念以及發(fā)射場的應(yīng)用

場發(fā)射的原理是通過外加強(qiáng)電場使物體表面的勢壘受到壓抑，使得勢壘的高度有所下降，其寬度也相應(yīng)的變窄，物體內(nèi)部的電子會通過隧道效應(yīng)從表面勢壘穿過逸出來。我們通常所說的“尖端放電”其實就是一種比較常見的場發(fā)射，只不過這一種場發(fā)射和熱陰極的性質(zhì)是不同的。熱電子進(jìn)行發(fā)射的時候主要依靠的是對物體的溫度進(jìn)行升高，以此對物體內(nèi)部電子的能量進(jìn)行增加，讓電子有足夠的能量從物體表面的勢壘逸出去。

但是此方法卻不能夠進(jìn)行大規(guī)模的運用，其原因是即使將物體加熱到非常高的溫度對電子的能量進(jìn)行增加，能夠勢壘溢出的電子數(shù)量也是極少的，需要說明的是，在這一過程中為陰極提供的熱能絕大部分也會被消耗掉。熱陰極的發(fā)射電流的密度不大，但是功耗卻比較高，體積也比較大，由此可見，熱陰極不是有效的發(fā)射方式，場發(fā)射與之相反，是一種能夠較為有效的發(fā)射方式。

場發(fā)射的發(fā)展時間非常長，但是在早期的時候，其發(fā)展進(jìn)程是非常緩慢的，其原因是實際獲得的發(fā)射電流密度與傳統(tǒng)的熱陰極相比較低非常多，并且場發(fā)射所需要的工作條件比較嚴(yán)苛：要求高真空條件，對工作的電壓要求也非常高。研究瓶頸期直到1968年才得以突破。這一年C.A.Spindt將微電子工藝與薄膜技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，得到了由柵極以及金屬微尖所構(gòu)成的三極管工作方式的Spindt陰極。

在電子發(fā)射方式中，場發(fā)射是一種新型的發(fā)射方式，隨著研究的進(jìn)展，這種新型的發(fā)射方式在將來有較寬的應(yīng)用領(lǐng)域。電子從固體表面被發(fā)射出來，會將固體本身所含有的信息一起攜帶出來。

2 場發(fā)射材料

在場致電子發(fā)射體的使用材料中最先進(jìn)行使用的材料是金屬材料，主要包含了W、WO等，對于金屬材料的運用，在大多數(shù)時候是制作場發(fā)射尖端陰極，并且在進(jìn)行制作的時候?qū)η拾霃绞怯幸蟮模话闱闆r下其曲率半徑是幾十納米到幾百納米之間。用金屬對場發(fā)射尖端陰極進(jìn)行制作，可以有效地對電流的密度進(jìn)行提高。

隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們對場發(fā)射的穩(wěn)定性以及場發(fā)射的工作壽命有了更高的要求以及更多的考慮，所以也對陰極尖端發(fā)射體材料的要求也相應(yīng)提高了，因此在材料的運用上也逐漸變得廣泛起來。在對材料進(jìn)行選擇的時候，首先要考慮的因素是材料是否會對氣體進(jìn)行吸附，以及對氣體進(jìn)行吸附之后逸出功的變化大小，與此同時還需要對是否耐離子轟擊進(jìn)行考慮。為了讓發(fā)射電流的量有所保證，應(yīng)該將溫度進(jìn)行升高，使其自身的熔點以及熱導(dǎo)率變高，此舉的目的是讓溫升不那么容易進(jìn)行積累。

上文所提的兩種金屬材料W以及WO所制備而成的場發(fā)射，其缺點是發(fā)射特性不夠穩(wěn)定，原因是有易吸附的氣體存在。讓電流密度得到有效的提高，以及讓發(fā)射電流變得更加穩(wěn)定的技術(shù)是從真空微電子學(xué)的發(fā)展開始的。在這一過程中，人們不僅對發(fā)射體的形狀進(jìn)行了加工，還對新的場發(fā)射材料進(jìn)行了探索，一步一步的探索出了較為簡單的陰極尖錐加工工藝。在后來所發(fā)現(xiàn)的一系列場發(fā)射冷陰極材料中，碳材料是較為理想的。

3 碳納米管材料的制備方法

制備碳納米管的方法有多種，例如：石墨電弧法以及石墨電極電解法、等離子體法、水熱法、熱解法和太陽能蒸發(fā)法以及化學(xué)氣相沉積法等。下面簡單地介紹一部分方法。

3.1 電弧法

在一定條件的氣氛下，一對石墨電極之間會有電弧產(chǎn)生，這種電弧會使得碳原子以及在陽極石墨棒之中進(jìn)行填充的金屬蒸發(fā)，它所充當(dāng)?shù)淖饔檬谴呋瘎?，而碳納米管就是在這個催化劑顆粒的作用下進(jìn)行重組而形成的。需要注意的是在電弧區(qū)的溫度是非常高的，通常在四千多攝氏度，最高可達(dá)到六千攝氏度。所以若是需要晶化程度比較高的碳納米管，可以采用石墨電弧法對其進(jìn)行合成。

3.2 化學(xué)氣象沉積法

在對碳納米管進(jìn)行研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)碳纖維形貌和碳納米管之間具有一定的相似性，這也解釋了之前進(jìn)行研究的時候，人們?yōu)槭裁磿⒀芯糠较蜃優(yōu)橥ㄟ^對氫化合物進(jìn)行催化和分解來對碳納米管進(jìn)行制備?；瘜W(xué)氣相沉積法的工作原理是將各種含有碳元素的氣體作為原料氣體，然后再對高溫或者高頻電磁場以及強(qiáng)電場等對原料氣體進(jìn)行分解和沉淀。這種方法是一種比較常見的對材料進(jìn)行制備的方法。

4 場發(fā)射的理論基礎(chǔ)

4.1 金屬的場發(fā)射理論

在沒有外加電場的時候，電子會被物體表面所存在的勢壘困在導(dǎo)體里面。方形的勢壘的寬度是無限的，而外加電場的作用就是讓方形勢壘轉(zhuǎn)變成三角勢壘，從而達(dá)到表面勢壘的高度下降，寬度變窄。表面勢壘高度降低多少的決定性因素是在物體表面所加的局域電場的大小，二者是有直接關(guān)系的。

勢壘變窄會使得高能電子在通過隧道效應(yīng)的時候更加容易，與外加電場的作用相結(jié)合，達(dá)到陽極。若是以微尖錐作為發(fā)射體，由于微尖錐表面的場強(qiáng)比較高，使得其勢壘非常窄，因此穿過勢壘發(fā)射出來的電子數(shù)量會比較多。圖1是物體表面勢壘所名圖，也可當(dāng)做金屬的場發(fā)射定性說明。

圖1

4.2 碳納米材料的場發(fā)射機(jī)制和電場的增強(qiáng)

由于對碳納米管的場發(fā)射機(jī)理到目前為止還沒有辦法取得一致的意見，所以就場發(fā)射而言，究竟是使用平行的襯底還是使用垂直的襯底，也沒有辦法獲得廣泛的一致性的答案。

但是通過研究人員一系列的研究之后認(rèn)為：納米管場發(fā)射特性比較好跟它的結(jié)構(gòu)關(guān)系非常大，納米管的結(jié)構(gòu)是細(xì)長型的。對納米管進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)，它是由一層或者是幾層石墨片組成的，卷積而成的管道是沒有接縫的一個整體，內(nèi)部是中空的，其頂端被富勒烯球所封閉，若是將碳納米管放在電場中，就會形成其特有的電勢分布圖。

從圖1我們可以知道，在碳納米管的頂端位置的電力線的分布與其他的區(qū)域相比較而言，是比較密集的，顯示的是外加電場有很明顯的增強(qiáng)。圖1的這種現(xiàn)象，就是局域場的增強(qiáng)效應(yīng)。

若是碳納米管不再是完整無裂縫的，而是在其頂端形成開口，那么在碳納米管的開口處就會出現(xiàn)比完整的頂端更為密集、更為復(fù)雜的電力線分布，并且在其開口處的內(nèi)壁也會有一個電場峰值出現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因是導(dǎo)體的邊緣處有電子累積。

開口處內(nèi)壁所形成的峰值電場可以成為另一個電子發(fā)射中心，所以若是進(jìn)行測試的條件相同，那么在相同的情況下開口的碳納米管場發(fā)射性能與封閉的碳納米管相比更好。

值得注意的是以上所說的碳納米管的形狀在事實上并不是那么規(guī)則，其所呈現(xiàn)的圓柱形或者圓筒形不是光滑的，碳納米管的頂端也并不是規(guī)則的半球形，相反，頂端所呈現(xiàn)的形狀更加復(fù)雜，是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若是對碳納米管進(jìn)行開口之后，我們通過管觀察還可以發(fā)現(xiàn)，它的邊緣處還有許多突起，并且這些突起是沒有規(guī)律可循的。所以說若是要對局域場的效應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢還是較為明顯的。

5 結(jié)語

材料科學(xué)的發(fā)展隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)打開了新的世界，對于性能要求比較高的、功能要求比較嚴(yán)格的材料的研究非常有幫助，所以，納米技術(shù)在世界的高新領(lǐng)域的競爭中是非常受矚目的，可以說納米新技術(shù)將成為21世紀(jì)科技發(fā)展的主力。

通過上文對碳納米管的研究我們應(yīng)該知道納米技術(shù)是特別重要的，不論是從微真空電子學(xué)還是納米科學(xué)以及其他與材料科學(xué)先關(guān)的學(xué)科，碳納米管復(fù)合材料場發(fā)射性的研究都與這一部分息息相關(guān)，所以，我們應(yīng)該對其加以重視，把握好其重大的研究價值以及廣闊的應(yīng)用前景。

[1]董建會. 碳納米材料制備及其場發(fā)射特性研究[D].電子科技大學(xué)，2009.

[2]朱春暉. 碳納米管場致發(fā)射冷陰極的研究[D].東南大學(xué),2005.

[3]歐陽海東. 碳納米管復(fù)合材料制備及其場發(fā)射特性研究[D].電子科技大學(xué)，2007.

O 462.4

A

1671-0711（2016）10（上）-0133-02

項目來源：重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目《高性能碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料研究》，項目編號K201521。