高稳定性大电流密度冷阴极的研究

摘要

Spindt阵列阴极虽然可以实现较大的发射电流，但是其加工难度大、成本高，不利推广，而碳纳米管场致发射阴极具有发射电流密度大、瞬时启动、室温工作、制备工艺简单和成本低等特点，在电真空器件领域具有广阔的应用前景。为获得高稳定性大电流、高电流密度的碳纳米管阴极，课题分别从丝印型碳纳米管场致发射阴极的制备工艺和测试工艺两方面进行了深入的研究。此外，课题还利用仿真软件进行了碳纳米管场发射阴极三极结构的电子光学设计研究。
　　二极管测试:在前期研究的基础上，课题采用丝网印刷法制备得到了碳纳米管阴极，结果表明，在线（动态排气）水冷条件下，最大发射电流密度为2.229A/cm2，对应的总发射电流值为17.5mA，二极管的总功率则超过了88.03W，同时对应的Fowler-Nordheim曲线则呈现出了未曾有过的三段式变化趋势，针对于此，课题综合采用双势垒模型和虚阳极模型对其进行了分析，为解释碳纳米管阴极的大电流发射机理提供了一种思路。
　　稳定性测试中，发射电流密度为1.61A/cm2时，持续工作750分钟后，电流最大波幅为6.88％，表现出了良好的稳定性，基本达到了诸如小型行波管等真空功率器件的应用要求。
　　为了进一步改善丝印碳纳米管阴极的场致发射性能，课题在传统丝网印刷的基础之上，采用局域加热化学气相沉积法在阴极表面进行了碳纳米管的二次生长。二次生长后阴极表面形貌的SEM表征表明，该方法能够在丝网印刷碳纳米管阴极表面进行有效的碳纳米管二次生长，且二次生长所得到的碳纳米管长度和直径分布均匀，并具有良好的取向性;场致发射测试表明，其有效降低了碳纳米管阴极的开启场强（最低可至0.6V/μm），提高了丝网印刷碳纳米管阴极的发射性能。
　　此外，为了推动大电流碳纳米管阴极在大功率真空电子器件中的应用研究，课题利用仿真软件对碳纳米管阴极三极管结构进行了电子光学设计和分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景、历史及现状

1．2 碳纳米管

1．2．1 碳纳米管概述

1．2．2 碳纳米管的性质

1．2．3 碳纳米管场致发射阴极的制备和测试

1．3 场致发射理论

1．4 碳纳米管场致发射阴极发射性能的主要影响因素

1．4．1 阴极表面结构

1．4．2 环境气体

1．4．3 其它因素

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 复合法制备碳纳米管场致发射阴极及其性能分析

2．1 局域加热化学气相沉积法制备碳纳米管

2．1．1 热化学气相沉积法制备碳纳米管的机理

2．1．2 局域加热化学气相沉积法制备碳纳米管阴极

2．2 复合法制备碳纳米管场致发射阴极及其场致发射性能测试

2．3 实验结果及分析

2．3．1 二次生长表面形貌观测

2．3．2 场致发射性能测试

2．4 本章小结

第三章 丝印碳纳米管阴极二极管的水冷测试及其性能分析

3．1 碳纳米管阴极的制备及封装

3．1．1 阴极的制备

3．1．2 二极管封装

3．2 碳纳米管阴极表面形貌表征

3．2．1 场致发射测试前

3．2．2 场致发射测试后

3．3 场致发射性能测试及结果分析

3．3．1 水冷测试系统

3．3．2 在线水冷测试

3．3．3 外接钛泵水冷测试

3．3．4 水冷测试结果分析

3．4 大发射电流条件下F-N曲线的特殊线性特性及其分析

3．5 本章小结

第四章 碳纳米管阴极电子枪的初步设计

4．1 皮尔斯电子枪(Pierce electron-gun)简介

4．2 碳纳米管场致发射阴极仿真模型的建立

4．2．1 仿真算法

4．2．2 仿真模型建立

4．3 仿真结果及分析

4．4 本章小节

第五章 结论

致谢

参考文献

作者简介