单根碳纳米管场致发射电子能谱特性及相关物理机制研究

摘要

作为一种新型的冷阴极场致电子发射材料，碳纳米管有着极大的优势，是十多年来真空微(纳)电子学领域科学家研究的重要内容。 本博士学位论文首先综述了基于金属自由电子论的场致电子发射基本理论和实验方法，包括电流-电压方程、电子能量分布以及在高温下的近似关系和场发射显微镜的原理。接着简要地给出碳纳米管的原子结构以及电子结构的特点，概述碳纳米管场致电子发射的研究进展和存在的问题，提出开展本论文研究的意义。本论文的主要内容描述了申请人对单根碳纳米管场致发射电子能谱特性及相关物理机制的研究结果，具体研究成果如下： 1．研究了“平躺”在平台上和“站立”在钨针尖上的单根多壁碳纳米管的场发射显微像，获得了清晰稳定的条纹状发射像、坏状发射像。建立模型进行了拟合计算，得到与屏幕上强度分布和像的尺寸大小吻合的结果，定量解释了条纹状发射像和中心为亮斑和暗斑的发射像都来源于发射电子的干涉，而中心为亮斑或者暗斑的发射像则是与电子波长的改变相关。首次观测到碳管的精细结构发射像，用多壁碳管的电子衍射理论进行了定性解释。实验结果也表明，所谓“平躺”和“直立”的碳管，其场发射像没有本质的区别。 2．测量了单根单壁碳管的场致电子发射能量分布，得到了典型的金属性和半导体性的碳管的电子能量分布。金属性的碳管的能谱，保持了金属场致电子发射的基本特点：能谱峰位固定、不随外加电压移动以及半高全宽随着外加电压提高而增大。但是金属性碳管的能谱同时也反映出碳管的独特的态密度：在费米面附近的电子态很少、场发射能谱的峰位并不位于费米能级处，而且半高全宽随着外电场提高并非线性增大。半导体性的碳管的能谱，表现出多峰、能谱随着外加电压增大向低能端线性移动的特点。仔细分析了能谱移动的量的大小，确认了能谱的移动主要来源于电场的渗透。对比研究了有吸附存在时和清洁的碳管的场发射能谱的特点：吸附的能谱表现为单峰，且不随外加电场而移动；清洁的能谱表现出多峰的特点，能谱随着外加电场增加向着低能方向线性移动。建立了模型解释了实验结果，该模型考虑了碳管的分立的态密度以及吸附引入的吸附态，确认了一般真空度下吸附态的能量位置。 3．研究了温度和电场对碳管的场发射能量分布的影响规律：在一定的电场下，提高温度，高能峰与低能峰的强度比增大；在一定的温度下，电场增强，低能峰与高能峰的强度比增大。整个能谱随着电压增大向着低能方向线性移动。仔细研究了1000 K的衬底温度下单根碳管的场发射电子能量分布和电流-电压特性。采用温度、场增强因子和碳管的态密度为拟合参数，对实测的电流-电压关系进行拟合，得到一套最佳拟合参数。计算发射电子在一定电场下的反转温度、结合拟合得到的电子平均温度，计算发射电子的平均能量，首次用这种方法确定出场发射能谱中碳管表面的费米能的位置。通过这种方法，可以排除难以确定的电场渗透以及电阻上的压降造成的能谱的移动，从而可以准确了解发射电子的能量分布特点。 4．在室温下测量单根单壁碳管的电流-电压特性，采用经典理论进行拟合，得到发射碳管的场增强因子为2.39×10<'4>cm<'-1>和发射面积为3.49×10<'-13>cm<'2>计算得到碳管的发射电流密度4.29×10<'6>A/cm<'2>。首次结合碳管的能谱和F-N曲线，独立测量碳管的“绝对”功函数的值，对三根碳管测量结果分别为7.1 eV、6.4 eV、5.4 eV。对于非金属性的碳管，我们得到的是有效功函数的值，比石墨的功函数的值偏大。

目录

文摘

英文文摘

第1章引言

1.1研究背景

1.2碳纳米管是一种优秀的冷阴极电子源

1.3碳纳米管作为冷阴极场发射电子源的研究进展

1.4本博士论文的主要研究工作和内容安排

参考文献

第2章场发射的基础理论和碳纳米管的一般特性

2.1金属的场致电子发射理论

2.2半导体和绝缘薄膜的场致电子发射理论

2.3碳纳米管的结构特点和电学性质

参考文献

第3章实验仪器简介、碳管预处理以及仪器定标

引言

3.1场致电子发射综合测试仪

3.2场致发射能谱仪的定标

3.3碳管的预处理和样品的准备

参考文献

第4章单根多壁碳管场发射显微像的研究

4.1研究现状

4.2场发射显微镜的原理

4.3样品准备和检测

4.4平躺的多壁碳纳米管的场发射实验结果以及模拟计算

4.5直立的多壁碳管的场发射像实验结果和相应的解释

4.6本章小结

参考文献

第5章典型的金属性和半导体性单壁碳管的能谱以及吸附和解吸附对能谱的影响

引言

5.1金属性碳管的场发射能谱分布特点

5.2半导体性单壁碳管的场发射能谱分布特点

5.3吸附和清洁的单根单壁碳管的场发射能谱对比

5.4结果和讨论，发射模型

5.5小结

参考文献

第6章温度和电场对单根单壁碳管场发射能谱的影响

6.1引言

6.2温度和电场对于场发射能谱的影响

6.3单根碳管的电流—电压特性拟合计算，发射电子的平均能量，费米能级的位置

6.4小结

参考文献

第7章单根单壁碳管的电流电压特性以及功函数研究

7.1研究背景

7.2从单根碳管场发射的Ⅰ-Ⅴ特性测量，推算场增强因子、发射面积

7.3根据场发射能谱和Ⅰ-Ⅴ特性的实验数据，推算“绝对”的功函数值

7.4本章小节

参考文献

第8章结论和建议

8.1主要的研究结果和意义

8.2深入研究的建议

附录1攻读博士学位期间发表论文情况

附录2正在准备的论文情况

致谢

论文原创性声明