内电场驱动下低维碳纳米材料的侧向电子发射

摘要

仅有单个或若干原子层的低维碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯等)由于具有独特的物理性质和几何结构,被认为是非常具有前景的电子发射材料,其电子发射特性被广泛地关注和研究.但是,目前的研究主要集中于碳纳米管尖端和石墨烯边缘的场电子发射,垂直于碳纳米管侧壁和石墨烯原子面方向的电子发射(称之为侧向电子发射)却很少被研究.相比于碳纳米管尖端和石墨烯边缘的电子发射,低维碳纳米材料的侧向电子发射具有两个特征:(1)材料中的电子沿发射方向上被局限在一个量子阱中,(2)材料中所有电子均处于发射边界.将首先从理论上探讨这两个特征对电子发射的影响,发现已有的电子发射模型不能够用来描述低维碳纳米材料的侧向电子发射,因而提出了基于能带理论的电子发射模型.在实验上,研究了两端施加电压的单根碳纳米管和石墨烯纳米带的侧向电子发射,并利用所提出的电子发射模型很好地描述了实验结果.研究结果表明,低尺度低维度的特性使得低维碳纳米材料的侧向电子发射可以以新的机制发生,即内电场驱动下的声子助电子发射.通过该发射机制,材料中的内电场在电子发射过程中起直接作用.其主要现象表现为,碳纳米管侧向电子发射密度的空间分布与纳米管中的电子运动方向相关,沿着电子运动方向电子发射密度逐渐增加.基于该发射机制,有希望实现低工作电压、低工作温度和高发射电流密度的新型电子源.