碳纳米管复合材料制备及其场发射特性研究

滕正福

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

碳纳米管复合材料制备及其场发射特性研究

滕正福

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

真空微电子器件的核心部分就是场发射阴极，场发射阴极性能好坏会对真空微电子器件的整体性能造成直接的影响，所以，适用的场致发射阴极材料有利于对场发射阴极制备工艺进行优化，同时也是对真空微电子器件进行研究的重点。本文主要对场发射的理论以及应用做了阐述与介绍。

纳米管；复合材料；场发射；研究特性

场发射阴极是一种新型的电子源，场发射阴极得到业界的广泛关注是因为美国C.Spindt提出列阵阴极。但是Spindt阴极的制作工艺较为复杂，除此之外对电压的要求也非常高，所以制作工艺不容易实现。人们经过长时间的研究和探索，以发射场理论为依据，终于发现了具有较好的发射场特性的材料—碳材料，经过不断地研究和筛选，最终锁定在碳纳米管上，碳纳米管由于其结构的特殊性，使其比其他碳材料更具发射场的特性。

1 发射场的概念以及发射场的应用

场发射的原理是通过外加强电场使物体表面的势垒受到压抑，使得势垒的高度有所下降，其宽度也相应的变窄，物体内部的电子会通过隧道效应从表面势垒穿过逸出来。我们通常所说的“尖端放电”其实就是一种比较常见的场发射，只不过这一种场发射和热阴极的性质是不同的。热电子进行发射的时候主要依靠的是对物体的温度进行升高，以此对物体内部电子的能量进行增加，让电子有足够的能量从物体表面的势垒逸出去。

但是此方法却不能够进行大规模的运用，其原因是即使将物体加热到非常高的温度对电子的能量进行增加，能够势垒溢出的电子数量也是极少的，需要说明的是，在这一过程中为阴极提供的热能绝大部分也会被消耗掉。热阴极的发射电流的密度不大，但是功耗却比较高，体积也比较大，由此可见，热阴极不是有效的发射方式，场发射与之相反，是一种能够较为有效的发射方式。

场发射的发展时间非常长，但是在早期的时候，其发展进程是非常缓慢的，其原因是实际获得的发射电流密度与传统的热阴极相比较低非常多，并且场发射所需要的工作条件比较严苛：要求高真空条件，对工作的电压要求也非常高。研究瓶颈期直到1968年才得以突破。这一年C.A.Spindt将微电子工艺与薄膜技术进行结合，得到了由栅极以及金属微尖所构成的三极管工作方式的Spindt阴极。

在电子发射方式中，场发射是一种新型的发射方式，随着研究的进展，这种新型的发射方式在将来有较宽的应用领域。电子从固体表面被发射出来，会将固体本身所含有的信息一起携带出来。

2 场发射材料

在场致电子发射体的使用材料中最先进行使用的材料是金属材料，主要包含了W、WO等，对于金属材料的运用，在大多数时候是制作场发射尖端阴极，并且在进行制作的时候对曲率半径是有要求的，一般情况下其曲率半径是几十纳米到几百纳米之间。用金属对场发射尖端阴极进行制作，可以有效地对电流的密度进行提高。

随着技术的发展与成熟，人们对场发射的稳定性以及场发射的工作寿命有了更高的要求以及更多的考虑，所以也对阴极尖端发射体材料的要求也相应提高了，因此在材料的运用上也逐渐变得广泛起来。在对材料进行选择的时候，首先要考虑的因素是材料是否会对气体进行吸附，以及对气体进行吸附之后逸出功的变化大小，与此同时还需要对是否耐离子轰击进行考虑。为了让发射电流的量有所保证，应该将温度进行升高，使其自身的熔点以及热导率变高，此举的目的是让温升不那么容易进行积累。

上文所提的两种金属材料W以及WO所制备而成的场发射，其缺点是发射特性不够稳定，原因是有易吸附的气体存在。让电流密度得到有效的提高，以及让发射电流变得更加稳定的技术是从真空微电子学的发展开始的。在这一过程中，人们不仅对发射体的形状进行了加工，还对新的场发射材料进行了探索，一步一步的探索出了较为简单的阴极尖锥加工工艺。在后来所发现的一系列场发射冷阴极材料中，碳材料是较为理想的。

3 碳纳米管材料的制备方法

制备碳纳米管的方法有多种，例如：石墨电弧法以及石墨电极电解法、等离子体法、水热法、热解法和太阳能蒸发法以及化学气相沉积法等。下面简单地介绍一部分方法。

3.1 电弧法

在一定条件的气氛下，一对石墨电极之间会有电弧产生，这种电弧会使得碳原子以及在阳极石墨棒之中进行填充的金属蒸发，它所充当的作用是催化剂，而碳纳米管就是在这个催化剂颗粒的作用下进行重组而形成的。需要注意的是在电弧区的温度是非常高的，通常在四千多摄氏度，最高可达到六千摄氏度。所以若是需要晶化程度比较高的碳纳米管，可以采用石墨电弧法对其进行合成。

3.2 化学气象沉积法

在对碳纳米管进行研究的过程中，我们发现碳纤维形貌和碳纳米管之间具有一定的相似性，这也解释了之前进行研究的时候，人们为什么会将研究方向变为通过对氢化合物进行催化和分解来对碳纳米管进行制备。化学气相沉积法的工作原理是将各种含有碳元素的气体作为原料气体，然后再对高温或者高频电磁场以及强电场等对原料气体进行分解和沉淀。这种方法是一种比较常见的对材料进行制备的方法。

4 场发射的理论基础

4.1 金属的场发射理论

在没有外加电场的时候，电子会被物体表面所存在的势垒困在导体里面。方形的势垒的宽度是无限的，而外加电场的作用就是让方形势垒转变成三角势垒，从而达到表面势垒的高度下降，宽度变窄。表面势垒高度降低多少的决定性因素是在物体表面所加的局域电场的大小，二者是有直接关系的。

势垒变窄会使得高能电子在通过隧道效应的时候更加容易，与外加电场的作用相结合，达到阳极。若是以微尖锥作为发射体，由于微尖锥表面的场强比较高，使得其势垒非常窄，因此穿过势垒发射出来的电子数量会比较多。图1是物体表面势垒所名图，也可当做金属的场发射定性说明。

图1

4.2 碳纳米材料的场发射机制和电场的增强

由于对碳纳米管的场发射机理到目前为止还没有办法取得一致的意见，所以就场发射而言，究竟是使用平行的衬底还是使用垂直的衬底，也没有办法获得广泛的一致性的答案。

但是通过研究人员一系列的研究之后认为：纳米管场发射特性比较好跟它的结构关系非常大，纳米管的结构是细长型的。对纳米管进行研究之后发现，它是由一层或者是几层石墨片组成的，卷积而成的管道是没有接缝的一个整体，内部是中空的，其顶端被富勒烯球所封闭，若是将碳纳米管放在电场中，就会形成其特有的电势分布图。

从图1我们可以知道，在碳纳米管的顶端位置的电力线的分布与其他的区域相比较而言，是比较密集的，显示的是外加电场有很明显的增强。图1的这种现象，就是局域场的增强效应。

若是碳纳米管不再是完整无裂缝的，而是在其顶端形成开口，那么在碳纳米管的开口处就会出现比完整的顶端更为密集、更为复杂的电力线分布，并且在其开口处的内壁也会有一个电场峰值出现，造成这一现象的原因是导体的边缘处有电子累积。

开口处内壁所形成的峰值电场可以成为另一个电子发射中心，所以若是进行测试的条件相同，那么在相同的情况下开口的碳纳米管场发射性能与封闭的碳纳米管相比更好。

值得注意的是以上所说的碳纳米管的形状在事实上并不是那么规则，其所呈现的圆柱形或者圆筒形不是光滑的，碳纳米管的顶端也并不是规则的半球形，相反，顶端所呈现的形状更加复杂，是一种拓扑结构。若是对碳纳米管进行开口之后，我们通过管观察还可以发现，它的边缘处还有许多突起，并且这些突起是没有规律可循的。所以说若是要对局域场的效应进行增强，这种结构的优势还是较为明显的。

5 结语

材料科学的发展随着纳米技术的出现打开了新的世界，对于性能要求比较高的、功能要求比较严格的材料的研究非常有帮助，所以，纳米技术在世界的高新领域的竞争中是非常受瞩目的，可以说纳米新技术将成为21世纪科技发展的主力。

通过上文对碳纳米管的研究我们应该知道纳米技术是特别重要的，不论是从微真空电子学还是纳米科学以及其他与材料科学先关的学科，碳纳米管复合材料场发射性的研究都与这一部分息息相关，所以，我们应该对其加以重视，把握好其重大的研究价值以及广阔的应用前景。

[1]董建会. 碳纳米材料制备及其场发射特性研究[D].电子科技大学，2009.

[2]朱春晖. 碳纳米管场致发射冷阴极的研究[D].东南大学,2005.

[3]欧阳海东. 碳纳米管复合材料制备及其场发射特性研究[D].电子科技大学，2007.

O 462.4

A

1671-0711（2016）10（上）-0133-02

项目来源：重庆水利电力职业技术学院科研项目《高性能碳纳米管/环氧树脂复合绝缘材料研究》，项目编号K201521。