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(chǎng)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(chǎng)發(fā)射陰極，場(chǎng)發(fā)射陰極性能好壞會(huì)對(duì)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(chǎng)致發(fā)射陰極材料有利于對(duì)場(chǎng)發(fā)射陰極制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也是對(duì)真空微電子器件進(jìn)行研究的重點(diǎn)。本文主要對(duì)場(chǎng)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(chǎng)發(fā)射；研究特性

場(chǎng)發(fā)射陰極是一種新型的電子源，場(chǎng)發(fā)射陰極得到業(yè)界的廣泛關(guān)注是因?yàn)槊绹?guó)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(duì)電壓的要求也非常高，所以制作工藝不容易實(shí)現(xiàn)。人們經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究和探索，以發(fā)射場(chǎng)理論為依據(jù)，終于發(fā)現(xiàn)了具有較好的發(fā)射場(chǎng)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(chǎng)的特性。

1 發(fā)射場(chǎng)的概念以及發(fā)射場(chǎng)的應(yīng)用

場(chǎng)發(fā)射的原理是通過外加強(qiáng)電場(chǎng)使物體表面的勢(shì)壘受到壓抑，使得勢(shì)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(huì)通過隧道效應(yīng)從表面勢(shì)壘穿過逸出來(lái)。我們通常所說(shuō)的“尖端放電”其實(shí)就是一種比較常見的場(chǎng)發(fā)射，只不過這一種場(chǎng)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(shí)候主要依靠的是對(duì)物體的溫度進(jìn)行升高，以此對(duì)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(shì)壘逸出去。

但是此方法卻不能夠進(jìn)行大規(guī)模的運(yùn)用，其原因是即使將物體加熱到非常高的溫度對(duì)電子的能量進(jìn)行增加，能夠勢(shì)壘溢出的電子數(shù)量也是極少的，需要說(shuō)明的是，在這一過程中為陰極提供的熱能絕大部分也會(huì)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(chǎng)發(fā)射與之相反，是一種能夠較為有效的發(fā)射方式。

場(chǎng)發(fā)射的發(fā)展時(shí)間非常長(zhǎng)，但是在早期的時(shí)候，其發(fā)展進(jìn)程是非常緩慢的，其原因是實(shí)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(chǎng)發(fā)射所需要的工作條件比較嚴(yán)苛：要求高真空條件，對(duì)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(chǎng)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(lái)有較寬的應(yīng)用領(lǐng)域。電子從固體表面被發(fā)射出來(lái)，會(huì)將固體本身所含有的信息一起攜帶出來(lái)。

2 場(chǎng)發(fā)射材料

在場(chǎng)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(duì)于金屬材料的運(yùn)用，在大多數(shù)時(shí)候是制作場(chǎng)發(fā)射尖端陰極，并且在進(jìn)行制作的時(shí)候?qū)η拾霃绞怯幸蟮?，一般情況下其曲率半徑是幾十納米到幾百納米之間。用金屬對(duì)場(chǎng)發(fā)射尖端陰極進(jìn)行制作，可以有效地對(duì)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(duì)場(chǎng)發(fā)射的穩(wěn)定性以及場(chǎng)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(duì)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(yùn)用上也逐漸變得廣泛起來(lái)。在對(duì)材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，首先要考慮的因素是材料是否會(huì)對(duì)氣體進(jìn)行吸附，以及對(duì)氣體進(jìn)行吸附之后逸出功的變化大小，與此同時(shí)還需要對(duì)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(diǎn)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(chǎng)發(fā)射，其缺點(diǎn)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(duì)發(fā)射體的形狀進(jìn)行了加工，還對(duì)新的場(chǎng)發(fā)射材料進(jìn)行了探索，一步一步的探索出了較為簡(jiǎn)單的陰極尖錐加工工藝。在后來(lái)所發(fā)現(xiàn)的一系列場(chǎng)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(yáng)能蒸發(fā)法以及化學(xué)氣相沉積法等。下面簡(jiǎn)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(duì)石墨電極之間會(huì)有電弧產(chǎn)生，這種電弧會(huì)使得碳原子以及在陽(yáng)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技{米管就是在這個(gè)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(duì)其進(jìn)行合成。

3.2 化學(xué)氣象沉積法

在對(duì)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(shí)候，人們?yōu)槭裁磿?huì)將研究方向變?yōu)橥ㄟ^對(duì)氫化合物進(jìn)行催化和分解來(lái)對(duì)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(duì)高溫或者高頻電磁場(chǎng)以及強(qiáng)電場(chǎng)等對(duì)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(duì)材料進(jìn)行制備的方法。

4 場(chǎng)發(fā)射的理論基礎(chǔ)

4.1 金屬的場(chǎng)發(fā)射理論

在沒有外加電場(chǎng)的時(shí)候，電子會(huì)被物體表面所存在的勢(shì)壘困在導(dǎo)體里面。方形的勢(shì)壘的寬度是無(wú)限的，而外加電場(chǎng)的作用就是讓方形勢(shì)壘轉(zhuǎn)變成三角勢(shì)壘，從而達(dá)到表面勢(shì)壘的高度下降，寬度變窄。表面勢(shì)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(chǎng)的大小，二者是有直接關(guān)系的。

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

圖1

4.2 碳納米材料的場(chǎng)發(fā)射機(jī)制和電場(chǎng)的增強(qiáng)

由于對(duì)碳納米管的場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)型的。對(duì)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(gè)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(chǎng)中，就會(huì)形成其特有的電勢(shì)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(chǎng)有很明顯的增強(qiáng)。圖1的這種現(xiàn)象，就是局域場(chǎng)的增強(qiáng)效應(yīng)。

若是碳納米管不再是完整無(wú)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(huì)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(huì)有一個(gè)電場(chǎng)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(chǎng)可以成為另一個(gè)電子發(fā)射中心，所以若是進(jìn)行測(cè)試的條件相同，那么在相同的情況下開口的碳納米管場(chǎng)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(shuō)的碳納米管的形狀在事實(shí)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(duì)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(shuō)若是要對(duì)局域場(chǎng)的效應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)還是較為明顯的。

5 結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(jìng)爭(zhēng)中是非常受矚目的，可以說(shuō)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(duì)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(chǎng)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(duì)其加以重視，把握好其重大的研究?jī)r(jià)值以及廣闊的應(yīng)用前景。

[1]董建會(huì). 碳納米材料制備及其場(chǎng)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(chǎng)致發(fā)射冷陰極的研究[D].東南大學(xué),2005.

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

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A

1671-0711（2016）10（上）-0133-02

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