单根碳纳米管的场发射与场蒸发研究

论文摘要

低能电子点源显微镜（Low-Energy Electron Projection Source Microscope, LEEPS）是利用几十到几百电子伏特的低能电子,观察微观物体对电子束造成遮挡后形成的投影像,以及具有一定相干性的电子束照射在纳米尺度物体上发生衍射所形成的干涉像或电子全息像,从而对微观物体的形貌、结构进行表征的表面分析仪器。为寻找高强度的相干电子源,我们自主研制了一台集低能电子点源显微镜和场发射/场离子显微镜于一体的设备。研制的过程中,解决了包括超高真空的获得（3.1×10-8Pa）,外界振动的隔离,爬行器及其控制电路的设计,场发射电流-电压自动测量,超高真空换样等一系列难题,达到设计要求。同时,针对场发射恒流源特点自主开发了小电流测量平台（精度约0.1nA,在原有的数据采集卡的基础上,成本极低）。采用虚拟仪器技术,实现设备的自动控制。目前,利用该设备,我们已经实现针尖与样品的距离小于5μm,获得放大倍数大于4×104倍的投影像,像的分辨率为10nm量级。并就理论上和实验上影响投影显微镜分辨率的因素进行了分析。在做投影像的实验过程中,我们还观察到碳纳米管及TEM微栅上的无定型碳膜在低能电子束（几百电子伏）照射下的损坏及解体消失现象,几百电子伏的低能电子在碳材料中的平均自由程1～2nm,碳纳米管及碳膜对其完全不透明。我们认为,真空残气被场发射电子束荷电,形成“负离子-碳原子”碰撞,破坏C-C键,导致物样被损坏以致解体。在透射电子显微镜原位观测下,将单根多壁碳纳米管组装到钨针尖上,再将组装好的样品转移到场发射显微镜中。针对单根多壁碳纳米管场发射特性研究表明,大的发射电流能够使碳纳米管的尖端钝化,影响到场发射I-V曲线,起到稳定发射的作用。在场发射I-V测量过程中,观察到样品的两种完全可逆的发射状态,在两种状态下,I-V曲线在测量过程中相互跳变,同时又各自满足F-N公式,相同电压对应的场发射电流相差最高达到10倍,初步分析电流变化的原因是吸附和脱附。碳纳米管发射电子束的发射立体角小于10-2,获得碳纳米管场发射电流最大亮度为1.3×1012A?m2?sr-1;约化亮度为1.6×109A?m2?sr-1?V-1。Y形分叉的单根多壁碳纳米管的场发射像出现相互平行的条纹,将分叉的两枝看作杨氏干涉的双缝,可以很好地解释实验现象;利用夫琅和费双孔衍射理论模拟,得出Y形碳纳米管的虚源成“∞”形状。相干条纹的出现表明碳纳米管的发射电子束是相干的。实验发现纳米材料的蒸发场远低于传统材料。针对单根碳纳米管的研究表明,碳纳米管的蒸发场阀值约为10V/nm左右,而碳的理论蒸发场高达103V/nm。利用场蒸发技术,可以对碳管端口逐层剥离,从而达到顶端平整的目的,或者将闭口管打开成为开口管等。如果持续时间较长,还可以进一步达到剪短的效果。结果表明,在约10V/nm场强下,实验用碳纳米管蒸发速率约为几个纳米每分钟。将单根碳纳米管的场蒸发实验技术转移到阵列,在较低场下,场蒸发依然有效。这为平面样品后续大规模处理提供可选手段。我们定性探讨了碳纳米管的蒸发场大大低于碳的理论值的原因。首先,通过场解吸获得的清洁端口上有较多悬挂键,平均每个碳原子的配位数较小,所以升华能较低。其次,可能存在于碳纳米管中的氢原子会在强场下碰撞端口的碳原子,使其更易蒸发。最后碳管结构本身不完美,存在缺陷,承受不住强场下的机械应力,易于发生重构或者在强场作用下直接被拖拽出去。有关研究指出,场蒸发粒子主要为C20+,假定重构的C20形成正十二面,升华热与重构释放出的能量相当,故略去逸出功以及升华热的影响。利用这个简化模型,得出的蒸发场理论数值更加接近实验事实。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 纳米电子学
• 第二节 碳纳米管介绍
• 1.2.1 单壁碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的研究进展
• 第三节 选题思路与主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 低能电子点源显微镜研制
• 第一节 概述
• 第二节 低能电子点源显微镜的构造
• 2.2.1 低能电子点源显微镜组件
• 2.2.2 位移控制系统
• 2.2.3 虚拟仪器与自动控制
• 第三节 LEEPS 初步研究结果
• 2.3.1 投影像的定标
• 2.3.2 投影像的观察
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管场发射与相干电子源
• 第一节 金属场发射基本理论
• 第二节 单根碳纳米管的场发射特性研究
• 3.2.1 样品准备
• 3.2.2 实验结果与讨论
• 3.2.3 亮度
• 3.2.4 场发射过程中样品的钝化
• 3.2.5 碳纳米管端口场发射像
• 第三节 相干电子源
• 3.3.1 碳纳米管是相干电子源
• 3.3.2 电子源的两种发射态
• 第四节 小结与展望
• 参考文献
• 第四章 碳纳米管的场蒸发研究
• 第一节 概述
• 4.1.1 场蒸发与场解吸基本理论
• 4.1.2 影响场蒸发速率的因素
• 4.1.3 碳纳米管场蒸发研究现状
• 第二节 场蒸发处理对其场发射性能的影响
• 4.2.1 碳纳米管的场蒸发
• 4.2.2 碳纳米管场蒸发后的场发射
• 4.2.3 平面样品的场蒸发
• 第三节 碳纳米管场蒸发的定性解释
• 4.3.1 碳纳米管与传统材料蒸发场的比较
• 4.3.2 场蒸发的定性解释
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 图表目录
• 攻读学位期间论文发表情况
• 致谢