碳纳米管本征场致电子发射特性及其真空击穿启动机制的研究

摘要

本论文围绕碳纳米管本征场致电子发射特性和真空击穿启动机制这两个主题开展研究工作。前者重点探索理想的单壁碳纳米管的场发射特性，后者探索实际应用中十分关心的碳纳米管场发射的稳定性问题。研究结果对促进碳纳米管在真空微纳电子器件中的应用具有重要的意义。本论文的主要结论概述如下： (1)理想的单壁碳纳米管本征场致电子发射特性利用紧束缚能带结构模型和电子隧穿理论，研究了理想单壁碳纳米管的本征场发射特性以及磁场对碳纳米管场致电子发射特性调制的规律。理论上证明了在量子尺寸下不同手性(从而不同导电性)的理想单壁碳纳米管的场致电子发射特性具有明显的差异。理论上证实了碳纳米管场发射电子能谱的单峰和多峰的结构是其本征特性之一。发现碳纳米管的发射电流密度随磁通密度作周期性变化，且周期为一个量子磁通。证明金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的发射电流密度和场发射电子能谱在磁场中的响应都存在着显著的区别。 　　(2)多壁碳纳米管真空击穿启动的物理机制研究了多壁碳纳米管真空击穿启动的物理机制。理论上证明了碳纳米管真空击穿过程可以在达到其熔点温度之前开始自发启动，其物理原因是碳纳米管在场发射过程中产生的热量不能及时通过衬底热传导和表面热辐射的方式散发掉，从而打破了碳纳米管的热平衡条件，导致发射电流和温度相互激励以至发生真空击穿。证明了微尖上碳纳米管的场发射失效可以是热失控自发启动真空击穿引起的，也可以是由于衬底熔化造成的，取决于碳纳米管的尺寸大小。揭示了碳纳米管在电场增大的过程中经历了Nottingham效应从加热到冷却的反转过程，从而导致碳纳米管最高温度的位置出现在它的中间区域。证明了碳纳米管的击穿启动时间随着击穿电场的增大呈指数衰减。 (3)多壁碳纳米管真空击穿启动模型的应用探索了多壁碳纳米管真空击穿启动模型在实际阴极制备中的应用。提出采用绝缘涂层增强散热的方法解决接触电阻焦耳热问题以提高阴极最大发射电流密度的设想，结果表明无论对于单根碳纳米管还是多根碳纳米管的情况，绝缘涂层都能够有效的降低碳纳米管与衬底接触部位的温度和碳纳米管顶端的温度，从而提高阴极的最大发射电流密度。研究了微尖衬底材料特性、碳纳米管特性以及接触电阻对阴极场发射失效机制和最大电流密度的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章导论

1.1从真空电子学到真空纳电子学

1.2场致发射电子源的应用背景

1.3场致电子发射阴极材料

1.4碳纳米管场致电子发射的理论研究进展

1.5碳纳米管的失效机制和真空击穿启动机制的研究进展

1.6本论文的研究目的和主要内容

参考文献

第二章场致电子发射的基本理论和碳纳米管的一般物理特性

2.1场致电子发射的基本理论

2.2碳纳米管的一般物理特性

2.3本章总结

参考文献

第三章理想单壁碳纳米管场致电子发射的本征特性研究

3.1引言

3.2计算模型与方法

3.3理想单壁碳纳米管的本征发射特性

3.4理想单壁碳纳米管场致电子发射在磁场中的响应

3.5本章总结

参考文献

第四章多壁碳纳米管真空击穿启动机制研究

4.1引言

4.2多壁碳纳米管真空击穿的启动机制

4.3 Nottingham效应对多壁碳纳米管真空击穿启动机制的影响

4.4多壁碳纳米管场致电子发射真空击穿的启动时间

4.5本章总结

参考文献

第五章多壁碳纳米管真空击穿启动模型的应用

5.1引言

5.2采用绝缘涂层增强散热以提高阴极最大电流密度的可行性

5.3微尖衬底的材料特性对单根多壁碳纳米管真空击穿的影响

5.4本章总结

参考文献

第六章总结

附录 攻读博士学位期间发表论文情况

致谢