（凝聚态物理专业论文）碳纳米管场发射脉冲特性研究.pdf

摘要 碳纳米管场发射脉冲特性研究 专业：凝聚态物理 硕士生：赖新宇 导师：邓少芝教授 摘要 碳纳米管表现出的优良场发射特性，使其在真空纳微电子器件中的应用受到 广泛关注，因此，碳纳米管冷阴极及其应用的研究是真空微纳电子学近几年来的 研究热点课题。本论文从碳纳米管冷阴极在微波器件、x 射线管、发光器件等方 面应用的角度出发，开展碳纳米管场发射脉冲特性研究，尤其是高电流密度下的 工作特性及其机理研究。论文主要工作和进展包括g 建立起脉冲测试装置和发展 了脉冲场发射测试方法；对碳纳米管脉冲场发射特性进行了较系统的研究，包括 碳纳米管薄膜和单根碳纳米管分别在脉冲电压驱动下电流发射特性( i v 特性) 、 响应延滞特性、大电流特性与稳定性等的研究。碳纳米管薄膜冷阴极，在1 0k h z 脉冲电压驱动下获得的最大电流为1 6m a 、电流密度8 0 0m a c m 2 ，在直流电压 驱动下最大发射电流为7 6 0 衅、电流密度3 8m a c m 2 ；单根碳纳米管，在1 0k h z 脉冲电压驱动下获得的最大电流为1 1p a 、电流密度1 6 9 x1 0 8 m a j c m 2 ，在直流 电压驱动下最大发射电流为lp a 、电流密度1 5 1 0 7m a j c m 2 。另外，还研究了 碳纳米管薄膜非晶碳层对场发射特性的影响，发现非晶碳层对碳纳米管薄膜场发 射特性影响较大，非晶碳层薄膜越薄，场发射大电流特性越好。 【关键词】：碳纳米管薄膜，单根碳纳米管，场发射，脉冲特性 a b s t r a c t s t u d yo fp u l s e df i e l de l e c t r o ne m i s s i o np r o p e r t i e so f c a r b o nn a n o t u b e s m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： c o n d e n s e dm a t t e r sp h y s i c s x i n y ul a i s h a o z h id e n g ，p r o f e s s o r a b s t r a c t c a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) a r es h o w nt oh a v ev e r y g o o df i e l de m i s s i o n p e r f o r m a n c eu n d e rd i r e c t - c u r r e n tf k l dc o n d i t i o n s ，a n dt h u sa r ec o n s i d e r e da sak i n do f p r o m i s i n gc o l dc a t h o d em a t e r i a l s i nt h i sw o r k , p u l s e de l e c t r i c f i e l de l e c t r o ne m i s s i o n f r o mc a r b o nn a n o t u b et h i nf i l m sa n ds i n g l ec a r b o nn a n o t u b ea r ec o n s i d e r e d a t e c h n i q u ef o rp u l s e df i e l de l e c t r o ne m i s s i o nm e a s m e m e n t sh a sb e e nd e v e l o p e d t h e a p p l i e dv o l t a g ei si ns q u a r ew a v e f o r mw i t hf r e q u e n c i e su pt o10k h zh a v i n gv a r i a b l e d u t yr a t i o t h er e s u l t so fc u r r e n tr e s p o n s e ，a m p l i t u d eo ff i e l de m i s s i o nc u r r e n ta n d c r i t i c a lf i e l da n dc o r r e s p o n d i n gc u r r e n tb e f o r eo c c u r r e n c eo fav a c u u mb r e a k d o w n e v e n ta r er e p o r t e d h i g h e rc r i t i c a lc u r r e n tw i t hc u r r e n td e n s i t y8 0 0m a c m 2b e f o r e v a c u u mb r e a k d o w ni so b t a i n e d e f f e c t so fa m o r p h o u sc a r b o nb e t w e e ns u b s t r a t ea n d c n tt h i nf i l m so nt h ef i e l de m i s s i o nf r o ma r es t u d i e d t h eu n d e r l y i n gp h y s i c sa r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：c a r b o nn a n o t u b e ，f i e l de m i s s i o n , p u l s ec h a r a c t e r i s t i c ，i n d i v i d u a l n a n o t u b e 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黎离售 日期：如刁年6 月i oe t 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文内容编入有关数据库进行检索，可 以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 一虢躲售新繇 吨 e tg q ：扫p 7 年石月j f 。日 日期：、1 年e 月1 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：菊、薪马 日期： b d 7 年f 月归e l 第一章绪论 第一章绪论 “如果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的 奇迹? ( w h a tw o u l dh a p p e ni fw ec o u l da r r a n g et h ea t o m so n eb yo n et h ew a yw e w a n tt h e m ) ，1 9 5 9 年的美国物理学年会上，费曼( r i c h a r dp f e y n m a n ) 表达了对 未来科技的憧憬。上世纪9 0 年代以来，兴起了一门崭新的技术纳米技术，特 别是近1 0 年，纳米技术更是异军突起，正一步步把费曼的愿望变成现实。纳米 技术的飞速发展使得纳米科学从材料体系中独立出来成为一门学科，而纳米科技 就是人们对于纳米尺度范围内各种现象理解、控制和应用的总称。 碳纳米管作为纳米技术发展的一个里程碑，从其被发现的那一刻开始就受到 了广泛的关注。其特殊的拓扑结构和独特的物理、化学、机械等性质使其具备了 许多潜在的应用价值，如：纳电子逻辑器件【1 捌、场发射平面显示器降7 1 、纳米场 效应管【8 9 】、气体传感器【1 0 - 1 2 1 等。有关碳纳米管的研究成为当今纳米技术领域的 研究热点，场发射是碳纳米管众多优异特性中最有可能走向应用的其中之一。 1 1 场发射及其应用概述 如图1 1 所示，电子在材料中受到势垒的限制，电子发射指的是电子越过材 料势垒逸出到表面的物理现象。 i 牵 图1 - 1 材料中的电子能级 电子发射包括热发射、光电发射、二次电子发射、场发射等方式，其中光发 射和二次电子发射是通过光子和电子碰撞将能量传递给材料中的电子；热发射是 改变电子能量的分布，使得电子能量升高从而能够越过势垒。场发射是依靠外加 电场引起的物体内的电子通过隧穿效应进入真空的一种电子发射形式。 场发射现象在1 8 9 7 年由w o o d 1 3 1 发现，1 9 2 8 年r h f o w l e r 和l w n o r d h e i m 第一章绪论 采用量子力学的理论和方法推导了金属场发射的电流方程0 4 1 。1 9 5 6 年g o o d 和 m u e l l e r 等人对场发射理论做了进一步的阐述和发展。在通常的电子学书籍中都 可以查到场发射的成熟理论【1 5 - 1 8 1 ，其中经典的场发射理论是f o w l e r - n o r d h e i m 【1 6 1 模型，其主要内容简述如下。 距离( a ) 图1 2 金属表面势垒示意图 图1 2 给出金属的场发射机制的示意图，图中e f 为费米能级。在不加外场 时，金属表面势垒的宽度是无限的，电子的能量小于势垒高度而被束缚于体内。 金属内的电子必须克服表面的势垒才能进入真空，被称为逸出功或功函数。 当金属表面加以垂直表面的恒定电场e 时，表面的势能分布发生变化，形成如 图1 2 点虚线所示的三角形势场分布。另一方面，在金属处于真空中的电子会产 生镜像力作用，在表面产生如图1 2 虚线所示的势场分布。在上述两个势场的共 同作用下，金属表面的势垒变成如图1 2 实线所示的形状。因此，当表面存在电 场时，势垒的高度将降低矽，同时，势垒的宽度也表窄。此时利用量子力学的 原理，推导出在绝对零度t = 0k ，金属场发射电流密度的定量方程为式( 1 - 1 ) 如- ( 学卜( 竺孚塑) ，( i - i ， 2 第一章绪论 式中各符号意义是：如代表阴极发射电流密度( 单位为a c m 2 ) ，代表功函数， e 代表发射体表面电场强度( 单位为v m ) ，( y ) 和t ( y ) 是诺德姆椭圆函数。在 大多数情况下，y 取3 7 9 x 1 0 - 4 e l ，2 矽，v ( y ) 取0 9 5 一y 2 ，t 2 ( y ) 取1 1 。从式( 1 - 1 ) 可以看出，发射电流密度如大小由金属表面电场强度和金属材料功函数痧 决定。 1 9 5 6 年，g o o d 等人提出经典镜像势，部分的修正了f - n 理论，但在求解场 发射电流密度的定量方程中依然存在许多物理假设和数学近似，如无限大金属平 面的假设等。此后，金属的场发射理论发展存在两种不同的理论体系：一种是沿 用f - n 理论的近自由电子近似；另一种理论是在考虑有效势引起电子在发射表 面重新分布的情况下，根据密度泛函理论【1 9 】自洽地计算场发射电流【2 0 】。第二种 由于涉及到表面势的重新分布，更接近实际情况，是场发射理论发展的一种趋势。 根据场发射的基本理论，场发射的实质是通过外加电场降低发射体的表面势 垒，致使固体内部的电子发生量子力学的隧穿过程而逸出。这种电子发射的形式 具有吸引人的特点：对电场的瞬时反应，非线性的电流电压关系，很小电压变化 就可引起发射电流很大变化，以及可以提供高达1 0 7 a c m 2 以上的发射电流密度。 利用场发射的优点，可以应用于研制响应速度、大电流的电子器件。w ed y k e 最早在1 9 5 9 年采用场发射冷阴极制造了一种x 射线管【2 l 】，随后，场发射电子源 在高分辨电子显微镜 2 2 2 3 2 4 1 、俄歇电子能谱【2 5 1 、超精细光刻【2 6 】、原子级电子全息 成像【2 刀、微波器件口8 】等方面都得到了应用。由于理论上场发射可以提供远大于 热发射等其它发射形式的电流密度，这个方面也开辟了很多的应用【2 9 】。近年来， 最值得关注的是s p i n d t 型场发射电子源【3 0 】，这种采用金属【3 0 1 或者硅【3 1 】制作的微 尖发射体开辟了场发射在真空微电子学【3 1 】以及平面显示器方面更广泛的应用。 在微波和毫米波方面，利用场发射阴极不仅可以带来器件结构上变化，而且 在某些性能和外观方面，例如提高效率和改善线性度以及小型化有很大的优势。 其研制的小型化高效率高频宽的微波毫米波真空器件，可以作为未来微波功率模 块的m p m 和毫米波功率模块m m p m 的功率推进器。1 9 7 6 年b r o d i e 提出使用 s p i n d t 阴极制作场发射阵列分布放大器，1 9 8 6 年l a l l y 等制作了第一个使用 s p i n d t 阴极的微波管，同年美国n r l 研制出第一个侧向真空晶体管，1 9 9 7 年 3 第一章绪论 日本n e c 公司利用场发射阵列代替热阴极制作行波管( t w d ，在1 0 1 5g h z 的 频率处得到2 7 5w 的连续波功率输出。同年美国的n r l 进行了预调制场发射 阵列电子束的速调四极管( k l y s tr o d e ) 实验，在栅极上施加微波信号，直接产生 一个密度调制的电子注( 预群聚) ，结果调制频率达到1 0g i - i z ，输出功率4m w 。 2 0 0 0 年n o r t h r o p 公司进行了脉冲行波管的实验，在4 5g h z 时，功率达到5 5w 。 1 2 一维纳米材料场发射及其应用研究概述 场发射材料对电子发射性能有着决定性的影响，在实际应用中首先要求场发 射材料应具有良好的发射性能，包括较低的工作电压、较高的场发射电流密度、 良好的发射稳定性等。此外，为保证在生产、应用过程中的简捷性、持久性以及 安全性等，理想的场发射材料应具有良好的机械强度和环境稳定性，可实现大批 量、低成本生产。 多壁碳纳米管是由日本公司的i i j i m a 博士1 9 9 1 年从制备富勒烯时得到的阴 极沉积物中发现【3 2 1 。两年以后i i j i m a 等【3 3 1 与i b m 实验室的b e t h u n e 等【3 q 人分别 合成了单壁碳纳米管。碳纳米管( c n t ) 由于具有独特的结构和物理、化学性质， 一经发现便引发了纳米科技研究的热潮，科学家们预测它将成为2 1 世纪最有前 途的一维纳米材料。 c n t 具有高的强度、大的长径比、较小的曲率半径、良好的导热、导电性 及化学稳定性，因此成为一种性能优秀的场发射阴极材料【3 5 硼。c n t 一般直径 为几到几十纳米，长度为几个微米，通常认为如此形状使c n t 可能在一定的电 场强度下产生一个足够大的场增强因子，从而获得良好的电子场发射性能。碳纳 米管作为场发射电子源在器件上的应用可分为两种类型【3 8 ，3 9 】：单根碳纳米管电子 源器件和阵列碳纳米管电子源器件。前者利用单根碳纳米管产生高强度的相干电 子束，可作为电子枪，应用到电子显微镜、微波器件；后者可用于场发射平面显 示器等。事实上，碳纳米管冷阴极场发射器件研究是国际热点课题。1 9 9 5 年1 1 月d eh e e r 等 4 0 l 首次用碳纳米管制作了简单的平面场发射原理型器件，报道了 多壁碳纳米管薄膜场发射的研究结果。随后多个实验组陆续成功地研制了碳纳米 管显示器原理型样机【4 l , 4 2 , 4 3 , 4 4 1 。图1 3 所展示的韩国三星公司实验室场发射显示 器原理型样机【4 1 4 2 】。在发光器件方面，日本i s e 电子有限公司研制出的以碳纳米 4 第一章绪论 管为材料的冷阴极发光管，并于2 0 0 0 年在国际信息显示年会上获得银奖l 。中 山大学显示材料与技术广东省重点实验室也研制出高亮度冷阴极发光管，并解决 了相关的制各工艺技术。 图l os a m s u n g 公司( a ) 4 5 英寸，和( b ) 5 英寸1 4 ”场发射显示器样机 1 3 本论文的研究内容和章节安排 正如上面提到的，场发射作为一种快速的电子发射方式，在微波器件、场发 射显示器和x 射线管等方面有广泛的应用前景，而上述的应用，很多情况需要脉 冲驱动的工作模式，例如场发射平板显示的图像灰度调制采用脉冲宽度调制 ( p w m ) 或脉冲幅度调制( p a m ) ，又例如，在强流加速器、高功率微波和电子 柬辐照器件中场发射阴极是在强脉冲电场作用下产生大电流，因此研究在脉冲 驱动下的场发射特性具有重要的应用前景。同时，国际上鲜有碳纳米管场发射脉 冲特性的相关研究。钱峰等人曾对碳纳米管冷阴极结构的频率特性进行过研 究，但他们是基于器件的应用，在结构方面进行了分析。我们开展碳纳米管场发 射脉冲特性研究主要包括碳纳米管薄膜和单根碳纳米管分别在脉冲电压驱动下 电流发射特性( i v 特性) 、响应延滞特性、大电流特性与稳定性等，这对器件 的集成和应用具有重要意义。 碳纳米管作为一种有潜力的新型场发射材料，近十年来被研究者关注，但关 于碳纳米管冷阴极的场发射脉冲特性报道不多。本论文从应用角度出发，开展碳 第一章绪论 纳米管冷阴极场发射脉冲特性研究，具体包括：金属和硅衬底上的碳纳米管薄膜 和单根碳纳米管在脉冲电场作用下的电子发射特性，主要关注的特性有：脉冲电 场作用下的场发射电流电压特性、场发射电流时间特性、场发射大电流特性和 场发射稳定性。 本论文主要内容由如下章节组成： 第一章介绍本研究背景及相关的理论知识；第二章介绍场发射脉冲特性测试 技术，包括场发射特性的测试方法、电容补偿技术的原理和场发射特性测试相关 电路实现；第三章介绍碳纳米管薄膜在脉冲驱动下的发射特性研究情况，包括在 脉冲驱动下碳纳米管薄膜的电流发射响应特性和i v 特性；第四章主要对脉冲驱 动下的碳纳米管薄膜的大电流特性进行测试与分析。比较了直流驱动和脉冲驱动 下碳纳米管的大电流特性，研究了不同厚度非晶碳层在脉冲驱动下对碳纳米管薄 膜大电流的影响；第五章介绍了单根碳纳米管测试系统和测试方法，以及开展在 脉冲驱动下单根碳纳米管的发射特性研究情况；第六章对论文工作进行总结，并 有针对性的提出一些建议。 6 第二章场发射脉冲测试技术 第二章场发射脉冲特性测试技术 本章叙述场发射脉冲特性测试的实验方案和测试实现方法。分析了场发射结 构电容在脉冲特性测试中的影响，针对这一特点，相应的提出了采用补偿电容法 为基础的测试方案，详细的介绍了实现这一方法的技术和手段。 2 1 场发射特性的测试方法 场发射材料的基本发射特性包括场发射电流密度电场强度特性( j e 特性) 或者场发射电流电压特性( i - v 特性) 和场发射址的分布等。前者反映了场发射 材料的发射能力，后者反映了场发射的均匀性。按照大多数学者采用的定义方法， 本论文的开启电场定义为从发射体得到1 0p a c m 2 电流密度所需要的电场，而阈 值电场定义为从发射体得到1 0m a c m 2 电流密度所需要的电场。在实验中通常采 用两种测试方法，一种是透明阳极法，另一种是阳极探针法。透明阳极法不但可 以测量i v 特性，而且可以同时显示样品的场发射像。r vl a t h a m 等人在研究 金属电极的击穿中率先采用了透明阳极法【4 7 1 ，后来许宁生等人发展了该方法， 并用于研究金刚石薄膜的大面积发射现象【4 8 ，4 9 】，其基本原理如图2 1 所示。在被 测量的样品前平行放置一片渡了透明的氧化锡铟( i t o ) 薄膜的玻璃作为阳极， 透明阳极和样品之间的距离d 一般为5 0 - - - 2 0 0 z m 。由于阳极是透明的，在测量时 可以直接观察样品的表面。在阳极上加电压，样品发射出来的电子轰击i t o 薄 膜并通过跃迁辐射过程发出可见光，形成场发射像。场发射像及其随电压的变化 可以在透明阳极的正面用c c d 摄像机记录，同时通过电流表和电压表可以记录 不同电压下的电流强度，由此得到i - v 特性。 阳极探针法采用金属探针为阳极，如图2 1 ( b ) 。通常探针可以分为两：用 于宏观测量的大探针和用于微观测量的微探针。阳极探针法不能直接观察场发射 像，但是在小区域发射或者在单根纳米线场发射有其应用优势。 7 第二章场发射脉冲测试技术 阳极( i t o 玻璃) 阴援( 榉品) 针 ( a ) 透明阳极法( b ) 阳极探针法 图2 1 场发射特性测试原理示意图 本论文的特性测试部分工作是在一套场发射综合测试仪中进行，其基本结构 如图2 2 所示。整个测试系统建立在一个超真空系统内。真空系统由机械泵，分 子泵和离子泵组成，极限真空为1 1 0 - 3p a 。样品安装在一个五维的样品操纵器 上，可实现上下、左右、前后以及旋转和倾斜五个维度上的调节，在x y z 轴上 调节精度为2 a m 。 图2 - 2 场发射综合测试仪原理框图【删 8 第二章场发射脉冲测试技术 2 2 场发射脉冲特性测试的实现方案 场发射脉冲特性测试方案如图2 3 所示，由直流偏置高压源、脉冲电源、示 波器、计算机组成。其中，被测对象为碳纳米管阴极，通过取样电阻接地，其发 射的电流波形即响应电流通过取样电阻r l 提取。阳极可以是透明i t o 玻璃也可 以是探针，其驱动电压由高压源和脉冲电源通过一个电容耦合后供给，也可以直 接由脉冲高压源供给。 在测试方案中，阳极驱动电压是一个含直流偏置的脉冲电压，它由一个频率、 幅度可调的脉冲电源和一个幅度可调的直流电压源共同提供。用示波器的c h l 通道监测阳极驱动信号，用c h 2 通道提取阴极的发射电流，然后输入计算机进 行处理。 图2 3 场发射脉冲特性测试系统组成 2 2 1 场发射结构电容的形成及补偿 在场发射测试中，典型的测试电路结构如图2 - 4 ( a ) 所示。该测试结构的阴 阳电极引入了一个平板电容c ，如图2 4 ( b ) 中虚框所示。根据电路原理，在直 流驱动下，该结构电容不影响场发射特性，但是在脉冲驱动下，该结构电容将影 9 第二章场发射脉冲测试技术 响场发射阴极电流的瞬态响应，同时影响高速脉冲驱动信号引入到发射体，因此 需要消除该结构电容的影响。 ( ( b ) 图2 4 场发射测试结构图，其中( a ) 为场发射特性测试电路连接图， ( b ) 场发射电路结构等效电容图 通过分析，发现场发射的测试结构无法避免阴阳极结构电容。从平板电容的 公式2 1 可知，改变场发射的测试结构，如增加阴阳极的距离d 或者减小场发射 有效面积s ，可以减少结构电容。但无论如何调整阴阳极的距离d 或者场发射有 效面积s ，都不能从根本上去除结构电容，因此引入补偿电容法。 co c 曼( 2 1 ) d 补偿电容法的结构示意图如图2 5 所示，在阴极电流输出端串入一个r c 并 联电路。图中“4 1 一为场发射结构，“4 端为阳极，阴极为碳纳米管薄膜。从4 端阳极输入脉冲电压，通过改变电容g 。和电阻r 的值来补偿结构电容。 图2 5 场发射电容补偿法结构示意图，其中“4 ”为阳极输入端， “2 ”为补偿电容q ，“3 ”为电阻r ，“5 ”为阴极电流输出端 1 0 第二章场发射脉冲测试技术 电容补偿法原理如图2 - 6 ( a ) 所示，其中r 和c 2 为场发射等效电阻和电容， 墨和c l 为补偿电容和电阻，玑为输入电压，：为c 2 两级的输出电压。 c q 玩一删 旧 图2 - 6 补偿电路原理图，其中( a ) 为驱动电压引入前，( b ) 驱动电压引入后， ( c ) 为欠补偿，( d ) 完全补偿，( e ) 过补偿 输入电压玑接上瞬间，如图2 - 6 ( b ) 电路状态，由于场发射结构电容的存 在，使c 2 两极的瞬时电压为： 铲矗q q - 2 ) 经过一段时间t 以后c 2 两边的电压稳定在，大小 2 ：击q ( 2 - 3 ) 2 可葛u 我们通过调节墨和c l 的值可以得到以下三种状态： i ) 欠补偿。如图2 - 6 ( c ) 所示，马c 1 吨c 2 ，此时2 需要一定的时间达到 稳定。 2 ) 完全补偿。如图2 - 6 ( d ) 所示，墨c l = 是g ，此时：在电路开启的瞬 第二章场发射脉冲测试技术 间就达到稳定状态，响应迅速。 3 ) 过补偿，如图2 - 6 ( e ) 所示，r c l 心c 2 ，l l t l 树i u c ：需要一定的时间达 到稳定。 因此，要完全补偿场发射结构电容带来的影响，要求置c l = 恐c 2 ，在这种状 态下结构电容被完全补偿，场发射阴极电流响应良好，满足实验测试的要求。 2 2 2 场发射脉冲特性测试方法 图2 7 是引入场发射结构电容补偿电路后场发射脉冲特性测试结构示意图。 碳纳米管薄膜作为场发射体，将呈容性阻抗特性的电路与场发射结构以串联形式 连接，组成冷阴极电子源结构。具体测试步骤描述如下。 1 ) 将在不锈钢衬底上生长的碳纳米管薄膜作为场发射体( 通常作为阴极) ， 将铜网作为控制栅极，组成场发射结构；将由电容c 和电阻r 组成的并联电路 与场发射结构中碳纳米管场发射体的衬底连接，引出电极，组成冷阴极电子源结 构。 2 ) 选择合适的电容c 的容值和电阻r 的阻值，使并联电路的时间常数接近 或等于场发射结构极间电容等效电路的时间常数。 3 ) 将冷阴极电子源结构放置在真空腔中。真空腔的真空度小于1 0 5 p a 。 4 ) 将冷阴极电子源结构的控制栅极上接入脉冲电压源；阴极串接一个取样 电阻，然后接地。 5 ) 开启脉冲电压源，输入交变信号驱动冷阴极电子源；通过示波器提取取 样电阻上的电压，作为冷阴极电子源的响应输出。 1 2 第= 章场发射脉冲测试技术 广一一一一一一- 1 ( c ) ( b ) ( d ) 图2 7 场发射结构也容补偿技术的实现( a ) 为未引入补偿电容祛的电流连接图 ( b ) 为未引人补偿电容法的输入输出曲线( c ) 为引入补偿电容法的电流连接圈 ( d ) 为引入补偿电容 去的输入输出曲线 图2 - 7 ( a ) 是未引入补偿电路的碳纳米管薄膜场发射结构特性测试示意图， 图2 - 7 ( b ) 是输入电压波形和和场发射电流响应波形图，其中a 表示输入电压 脉冲波形，b 表示场发射电流响应波形。从场发射响应波形形状可以看出：场 发射结构呈容性器件，栅极一阴极间的电容对脉冲信号的高频成分响应有较大的 影响，即与输入信号相比，输出信号的上升沿和下降沿上出现畸变。 1 3 第二章场发射脉冲测试技术 图2 7 ( c ) 引入容性补偿电路后的碳纳米管薄膜场发射结构特性测试示意图 图2 7 ( d ) 是对应的输入电压波形和场发射电流响应波形。从场发射响应波形可 以看出，场发射响应能够无畸变的响应输入信号，减少了场发射结构中的栅极一 阴极间的电容对脉冲信号的高频成分响应的影响。 从结果表明，采用电容补偿技术可以去除场发射结构电容带来的影响。在后 续的测试中，所有的测试都采用了该方法。 2 3 周期性高压脉冲信号产生电路 在场发射脉冲特性测试中，由于涉及脉冲响应特性测试，因此需要周期性的 脉冲信号源，同时要求脉冲宽度可调，脉冲上升沿在1 s 以内，同时由于场发 射的电场要求高，因此脉冲电压幅度必须在3 0 0 伏以上。根据这样的要求，需要 研制符合测试要求的高压脉冲电压源。实现周期性高压脉冲电压源的思想是利用 脉冲斩波电路原理如图2 8 所示，在实现方案中，脉冲信号振荡电路的信号使用 函数发生器来产生。该函数发生器的型号为y b l 6 3 8 ，输出脉冲幅度为0 , - , 2 0v 可调，频率0 3i - i z 3m i - i z 可调。直流高压电源使用实验室现有的直流高压电源， 其性能是可以产生l ok v 的直流高压，电流为1 0m a 。脉冲斩波电路，采用 m o s 管的共源脉冲放大器实现，电路如图2 9 所示。该电路工作原理是：当在 栅极g 加上电压时，源极s 和漏极d 导通，输出电位为零：当把栅极g 上的电 压撤去，源极s 和漏极d 断开，输出电位为v c c 。通过给栅极g 提供周期性的 脉冲驱动信号电路让其工作在周期开关状态，则输出点o u t 端获得幅值为v c c 大小的脉冲输出。 图2 - 8 脉冲电路原理示意图 1 4 出 第二章场发射脉冲测试技术 v c c j 。 图2 - 9 高压脉冲形成电路 本电路中，选取的m o s 管2 s k 2 7 1 7 耐压为9 0 0v ，为了获得较好的工作特 性，电路工作时取v c c 为3 0 0v 。图2 1 0 给出了所设计的脉冲电路的输出波形， 该电路叠加了4 0 0v 的直流偏置电压，从图中可以看出，在脉冲频率为1 2 5k h z 时输出电压波形良好，当频率为2 0 0k h z 的时候，输出脉冲的上升沿有一定的延 滞，通过测量，上升延迟为6 5 01 1 s ，满足测试的要求。 硼加 - j m bd a 嗡 柏蕾哺t - 啊嗍 图2 1 0 高压脉冲电路输出波形 1 5 第二章场发射脉冲测试技术 图2 1 l 给出了所设计的脉冲电路的幅频特性，即电压增益和频率特性的关 系，在0 - 一2 5 0k h z 的范围内，增益由1 下降到o 8 5 ，下降了1 5 。 o5 01 1 3 01 5 02z鼢 f r e q u e n t t k h z 图2 - 1 1 脉冲电路幅频特性 综上所述，所设计的高压脉冲电源，幅度在0 - 9 0 0 伏可调，上升沿为6 5 0i l s ， 脉冲宽度从2 5 a s - 1 0m s 可调，在频率0 2 5 0k h z 的范围内电压增益下降了 15 ，该高压脉冲电源满足测试要求。 1 6 髓 叮 蔗 啜 舢 萋l 盈 o o o o a o o n o col_曩唾ide 第! 章碳纳米臂薄膜场发射脉冲特性的研究 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 本章主要讨论碳纳米管薄膜在脉冲驱动下阴极电流的响应特性。采用幅度、 宽度和偏置电压可调的脉冲电压作为阳极驱动电压，而测试阴极电流的响应特 性，包括延滞特性、1 一v 特性等。 脉冲电压驱动下的碳纳米管薄膜场发射响应特性研究中使用的碳纳米管阴 极是采用热化学气相沉积( t h e r m a lc v d ) ，在直径为1 6m m 的不锈钢片衬底上 直接生长碳纳米管薄膜的冷阴极p ”。用扫描电子显微镜( s e m ) 观察了所使用 的碳纳米管薄膜玲阴极的表面形貌，图3 - 1 为典型的碳纳米管薄膜玲阴极表面 s e m 照片。从侧面图3 - i ( a ) 可见，碳纳米管薄膜高度参差不齐，但绝大多数 碳纳米管的管径为6 0 - 8 0r t m 。从俯视图3 1 ( b ) 可见，碳纳米管密集分布于村 底上，大多数卷曲生长，取向随机。 ( a ) 截面囤( b ) 俯视图 图3 - 1 碳纳米管薄膜表面s e m 图 在进行场发射脉冲特性测试前，采用透明阳极法，测试在直流电压驱动下的 碳纳米管薄膜的场发射特性。测试时，透明阳极和样品之间的距离为1 0 0 , u m ， 真空度为l x l 0 。p a 。典型的i v 曲线如图3 2 所示，典型的开启电压为3 0 0 伏， 典型的阈值电压为6 1 0 伏。 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 - 1 0 0 01 枷枷4 0 05 嘲7 0 0 u 图3 2 碳纳米管薄膜冷阴极在直流电压驱动下的场发射i v 曲线 3 1 脉冲驱动下的碳纳米管薄膜场发射响应特性 碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的测试实验方案如图2 3 所示。采用两极结构 和探针法来研究脉冲驱动下的碳纳米管薄膜场发射响应特性。 3 1 1 无直流偏置电压下场发射脉冲响应特性 测试时，阳极探针和阴极样品之间的距离为1 0 0p m ，真空度为1 0 x 1 0 - 5 p a 。 采样电阻为1 0 k ( 2 ，典型的输入输出波形如图3 2 。从图3 2 可以看到在脉冲输 入电压达到稳定时，阴极响应电流需要滞后一定时间才能达到最高电流状态。也 就是说，场发射阴极电流具有延滞特性。我们把阴极电流从o 上升到9 0 最高电 流值的这段时间定义为延滞时间t ，典型的延滞时间t 为毫秒量级。 图3 2 中，响应曲线上升沿部分可以分为a 和b 段，在脉冲上升开始阶段 阴极发射电流响应迅速( a 段曲线) ，在达到一定的电流以后，发射电流响应特 性缓慢上升( b 段曲线) ，最后到达最大值。a 曲线的上升时间是b 曲线的n ， ，工u 而幅度却是b 曲线的4 倍。这可能是热电子发射引起的。与场发射相比，热电 子发射需要一定的加热时间，因此发射一般都具有延滞特性。在测试中由于材料 本身、以及材料和衬底存在接触电阻，在场发射中随着场发射电流的增大，这部 分电阻被加热，温度升高到一定的程度时，热电子出现，随后系统达到热平衡， 场发射和热电子发射就稳定下来，因此发射电流响应曲线的上升沿部分出现的a 1 8 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 和b 两部分，分别对应着场发射电流和热发射电流。从图3 2 可以算出在阴极发 射电流为1 0 0 l aa 时b 曲线出现，也就是说在阴极电流为1 0 0 l aa 时有热电子发 射出现，这与梁锡辉等人的数据5 川相符合。 图3 - 2 典型的场发射碳纳米管阴极电流延滞特性 为了证实上述的解释，我们研究了在不同脉冲电压幅度和脉冲宽度下碳纳米 管场发射阴极的电流响应特性。如图3 3 所示，a 图中输入电压8 0 0v 时，阴极 电流输出有明显的延迟；b 图中输入电压6 0 0v ，阴极电流输出延迟幅度不大； c 图输入电压4 5 0v 时，阴极电流输出没有延迟。如图3 4 所示，在脉冲幅度不 变，改变脉宽的情况下碳纳米管薄膜的阴极响应电流的延滞时间t 没有发生变化。 1 9 o 0 0 - 3 0 0 莉0 舢 15 1 2 o9 0 6 0 3 0 0 图3 3 不同脉冲幅度f 碳纳米管薄膜阴极响应电流波形，其中( a ) 图：输入电压为8 0 0v ； ( b ) 图：输入电压为6 0 0 v ；( c ) 图：输入电压为4 5 0 v 4 0 0 50 0 0 00 0 0 50 ，0 1 00 0 1 50 0 2 0 t h n ，s 图3 4 不同脉冲宽度下碳纳米管薄膜阴极响应电流波形，其中驱动电压幅度等于7 0 0 伏 在无直流偏置电压下场发射的脉冲具有延滞特性，延滞时间为毫秒量级。这 种延滞与脉冲宽度无关，与阴极电流大小有关。这主要是由于材料本身以及材料 和衬底存在接触电阻，在阴极电流较大的情况下，有热电子参与发射 2 0 ，ve-童m毒；_nd葛。 啪裟姗。啪裟毪器枷冕。器枷抛。 l毫t乏参l 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 3 1 2 有直流偏置电压下场发射脉冲响应特性 在脉冲电压上叠加一个直流偏置电压，使电压峰值为8 0 0v 。如图3 5 所示， a 图为偏置电压幅度7 0 0v 、脉冲幅度1 0 0v 的输入电压和阴极响应输出波形； b 图为偏置电压幅度0v 、脉冲幅度8 0 0v 的输入电压和阴极响应输出波形。图 3 5 表明，a 图的阴极输出电流明显比b 图大，同时a 的阴极电流比b 的阴极 电流更快达到平衡点。 在有直流偏置电压下的场发射脉冲受到热电子发射的影响更为明显。在驱动 电压幅度一样情况下，较大的直流偏置电压产生的阴极电流较大，同时阴极电流 也较快达到最大值。由于较大的直流偏置使样品产生更多的热电子，也使样品更 快的被加热到稳定状态。 b 强“蠢； y a - t w a v e f o r m “l j i 0l ”筘 。 f 图3 5 脉冲电压峰值不变，不同偏压下场发射阴极电流响应特性，其中 ( a ) 图：偏置电压幅度7 0 0v 脉冲幅度1 0 0v 的输入输出波形； ( b ) 图：偏置电压幅度0v 脉冲幅度8 0 0v 的输入输出波形 3 1 3 场发射脉冲响应的延滞特性分析 上述的测试结果总结为以下几点现象1 ) 碳纳米管场发射在脉冲电压驱动 下，阴极响应电流具有延滞特性；2 ) 阴极响应电流的延滞时间在毫秒量级；3 ) 2 1 、am皇呈丁号o 4 2 o 8 8 4 2 o 4 2 o 8 6 4 2 o 1 1 1 o o o o o 1 1 1 o o o o o 加o o 9 8 7 8 5 4 a 2 1 j 8 6 4 2 2 4 6 目 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 阴极响应电流的延滞与输入脉冲的幅度有关与脉冲宽度无关；4 ) 在同样的幅度 下，偏置电压越大( 脉冲幅度越小) ，阴极响应电流越大，达到稳定状态所需时 间越短。 基于上述碳纳米管薄膜场发射脉冲响应特性的延滞变化规律，我们认为可能 是由热电子发射引起的。在场发射过程中，由于碳纳米管本身具有一定的电阻， 同时碳纳米管和衬底又具有接触电阻。在场发射电流比较大的情况下，这些电阻 在场发射电流的作用下开始发热，如果这些热量无法有效的散发出去而在样品表 面聚集，那么碳纳米管薄膜温度上升到一定温度时，热电子出现，而当整个系统 处于热平衡时，电子发射也就稳定下来。场发射中阴极电流不仅仅包含场发射电 流同时也包含热电子电流。因此，在偏置电压越大的情况下，碳纳米管薄膜得到 更多更快的热量，于是阴极响应电流越大，达到稳定状态所需的时间也就越短。 3 2 脉冲驱动下的碳纳米管薄膜场发射i v 特性 采用图2 3 的测试方案测试脉冲驱动下碳纳米管的薄膜场发射特性。在脉冲 频率、脉冲宽度固定，脉冲幅度变化的情况下测阴极电流对应的电流电压点做 出该曲线，典型的i v 特性曲线如图3 - 6 所示。测试时，透明阳极和样品之间的 距离为1 0 0 a m ，真空度为1 1 0 。5 p 口，输入脉冲宽度为1m s ，无直流偏置。从图 3 - 6 得到典型的开启电压为3 8 0 伏，典型的阈值电场为6 5 0 伏。在脉冲驱动下， 碳纳米管场发射的i v 特性与直流驱动下的i v 特性基本一致。 2 0 02 5 03 0 0 弱o4 0 0 , t f o5 0 0 联时6 0 06 5 0 7 0 0 7 5 08 0 0 v o n a g e n 图3 _ 6 脉冲驱动下碳纳米管薄膜场发射i v 曲线 撕 栅 饼 暂 o t暑=萎口。 籀三章碳蚋米管薄膜场发射脉冲特性的研究 3 2 1 不同厚度非晶碳层的碳纳米管薄膜场发射i v 特性 采用热c v d 生产的碳纳米管与衬底之间存在一层非晶碳层，为了研究该非 晶碳层对脉冲驱动碳纳米管薄膜场发射i - v 特性的影响，我们在硅村底上制作了 两个不同厚度非晶碳层韵碳纳米管薄膜，刮去表面的碳纳米管以后用s e m 观察， 如图3 - 6 ( a ) 和( b ) 。图3 - 6 ( a ) 中非晶碳层的厚度为2 8 3 卅，( b ) 中的非 晶碳层为1 7 4 , u m ，非晶碳层致密度均匀表面平整。将上述的碳纳米管薄膜作 为阴极，阴阳间距为1 0 0 , u m ，在阳极加入脉冲电压，脉冲宽度为l m s 改变电 压的幅度，测量阴极峰值电流得到i - v 曲线如图3 - 6 ( c ) 。 ( a ) 枷斯蛐蛳蛐m啪枷 l 驴 ( b ) ( c ) 圈，击( a ) 非晶碳层厚度2 8 3 i l m ；( b ) 非晶碳层厚度”4 p m ；( c ) 不同踔度非晶碳层的 场发射i - v 曲线，其中a 曲线对应薄的非晶碳样品，b 曲线对应厚非晶碳层样品。 2 3 第三章碳纳米管薄膜场发射脉冲特性的研究 不同非晶碳层的场发射i v 特性曲线如图3 6 ( c ) 所示，a 样品的开启电压 为4 0 0 伏，b 样品的开启电压为4 4 0 伏，较厚非晶碳层的碳纳米管脉冲场发射的 开启电压要高一些，而较薄的非晶碳层的碳纳米管脉冲场发射的开启电压要低一 些，但是区别不大。从测试结果来看，在同样的电压下，厚非晶碳层的碳纳米管 薄膜具有更高的发射电流。在场发射电流不大的情况下，非晶碳层对场发射影响 不大。但是在大电流发射的情况下，非晶碳层的厚度将对场发射大电流特性产生 影响。 第四章碳纳米管薄膜在脉冲电压驱动下的场发射大电流特性研究 第四章碳纳米管薄膜在脉冲电压驱动下的场发射大 电流特性研究 “大电流 是指在真空中对碳纳米管薄膜阴极施加比较大的电场，而得到 较大的场发射电流。由于碳纳米管薄膜阴极表面存在少数高度特别大的碳纳米 管，使碳纳米管薄膜在场发射时电子发射不均匀，而且这些高度特别大的碳纳米 管薄膜还会导致在测试中出现短路、打火等问题。因此在测试场发射大电流特性 时，必须进行处理【5 2 】。主要处理步骤如下【5 0 l ：1 ) 碳纳米管薄膜作阴极，导电物 体作阳极，两者置于真空中，并保持一定的距离；2 ) 在阳极加正压，产生场发 射电流至一定的电流值，并持续一定的时间。 4 1 直流电压驱动下的碳纳米管薄膜场发射大电流特性 采用探针法对直流电压驱动下碳纳米管薄膜场发射的大电流特性进行测试， 样品为直径1 61 1 l i t i 衬底为不锈钢片的碳纳米管薄膜，其中阴阳两极的距离为 1 0 01 t m ，真空度为l x l 0 。5 p a 。典型的i v 曲线如图4 1 所示，最大的发射电流在 7 6 2p