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1、第32卷第12期光子学报Vol.32No.122003年12月ACTAPHOTONICASINICADecember2003碳纳米管场发射特性研究1,2,32121,2田进寿李冀王俊锋杨勤劳牛憨笨(1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)(2深圳大学光电子学研究所,广东省光电子器件与系统重点实验室,广东深圳518060)(3中国科学院研究生院,北京100039)2摘要从FowlerNordheims理论出发,对实验中测得的碳管场发射中l
2、n(I/V)~1/V并不是严格的线性关系进行了分析,认为主要是碳管吸附态(主要是水蒸气)的改变引起有效功函数改变,同时随着发射电流的增大,个别较长碳管表面的突起在残余气体离子轰击下变得平滑甚至缩短,热熔化也可能造成碳管缩短.另一方面,随着电场强度的增大,较短碳管的场发射对总发射电流的贡献也相对提升这些因素都会造成场发射中FN曲线的斜率发生改变关键词FowlerNordheim理论;碳纳米管;场增强因子;功函数中图分类号TN203文献标识码A0引言1实验自从1991年
3、S.Iijima发现碳管以来,对其认知我们所用的碳管是用化学气相沉积法(CVD)研究和应用研究从来就没有停止过分子结构的完制备的,在电子显微镜下观察,其纯度很高,很多碳整性,使单壁碳纳(SWCNTs)米管具有独特的电学、管往往聚集、缠结在一起,因此需要用超声的办法将力学性能和化学稳定性,使其成为化学界和新型材其分散开用洁净的镊子夹取适量碳管粉末倒入丙料中的一颗明星,碳纳米管及其衍生物有可能成为酮溶液中,然后超声半小时以上,用吸管吸取碳管悬下一代纳米电子器件的基本材料科学家对浮液滴在事先准备
4、好的银浆上面,就会发现碳管吸SWCNTS的潜在应用作了广泛研究:如气体储存、附在银浆上面,而丙酮溶液则顺着银浆堆周边流下量子导线、电子器件、催化剂载体、超强材料、超级电来为了尽量减小丙酮对银浆的改性,影响丝印质容器、显微镜探针、显示器等[1]由于其高的尺寸比量,用滤纸小心地将流下来的丙酮吸掉由于银浆的粘滞性很强,用专用工具对银浆进行充分地搅拌,和化学稳定性,它也是一种优良的场发射体但对这样进行多次反复,直到碳管的含量合适为止,既可碳管的场发射机制到目前为止还有不同的认识,有以保证有足够的
5、发射电流,也可以避免相邻碳管之些学者认为碳管的场发射符合FowlerNordheims间的场屏蔽效应将银浆和碳管的混合物用丝网印隧穿理论,电子是从纳米碳管的顶端发射出来的,功[2]函数接近石墨的功函数,而另一方面,Collins和[3][4]Zettle以及Bonard等人认为:碳管的场发射要比FN的隧穿理论复杂得多,并且提出了新的碳管场[5]发射模型,Gulyaev认为:单壁碳管和多壁碳管场发射特性与温度的密切联系说明了碳管是低功函数[6]场发射体,Rinzler却认为碳管的是一种非常尖
6、的高功函数发射体,碳管在温度较高时场发射的增强是因为碳管尖端碳原子的重构导致场增强因子增大[7]的缘故,Dean等人将碳管的场发射分为三个过程:吸附态、洁净态和大电流态我们在实验中发现碳管的场发射特性曲线也不是一条严格的直线,而是随电场强度变化的为此我们建立了一个简单的模型,试图说明实验中观察到的发射特性图1(a)激光束刻蚀的沟槽,(b)沟槽边缘的碳纳米管,(c)沟槽边一根长度达5m的碳管Fig.1(a)Atrenchetchedbylaserbeam,(b)Carbonnanotu
7、beontheedgeoftrench,(c)Acarbonnanotubewiththelengthof5mTel:075526538556Email:tianjs@hotmail.com收稿日期:2003012712期田进寿等.碳纳米管场发射特性的研究1443制技术印制在洁净的玻璃基板上,置于马福炉内,在沟槽,很少有银颗粒留在沟槽中间,沟槽宽度在300加热半小时,使银浆固化,银浆一方面对碳管35m左右,两侧有碳管存在(如图1(b)),而在沟有固定作用,另一方面使碳管上发射的电子源源
8、不槽中间很少见到,这很可能是碳管随银颗粒一起被断地得到补充利用碳管和银浆熔点的不同,用热溅射出去而不是被激光烧掉的在沟槽中能够偶然蚀法在银浆上刻蚀出沟槽,仔细调节激光打标机的观察到比较长的碳管存在,如图1(c),沟槽中有一能量和扫描速度,既要保证能够刻蚀下银浆,使阴极根碳管其露出银层外的长度为5m左右,沟槽边和栅极之间形成电绝缘(阴极和栅极之间的电阻在缘不是很整齐,碳管长短各异测定碳管的场发射50M以上),又要保证在沟槽边缘留下碳管,然后特性如图2所示可见当电极间所加电压超过40-5
