碳纳米管薄膜场发射电流的研究

论文摘要

碳纳米管自1991年被发现以来,它以优异的物理、化学、电学等方面性能引起了广大学者的研究兴趣。碳纳米管具有纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、热稳定性和导电性好等特征,是理想的场发射材料,有望在冷发射电子枪、平板显示器、平面光源、微波器件、传感器等真空电子器件中获得广阔的应用,其中研究前景最好的是它在平板显示中的应用。本论文研究了碳纳米管薄膜的场发射微观机理;分析了碳纳米管的结构、电学性质,并讨论了外加电场作用下碳纳米管载流子输运行为;从碳纳米管与基底材料接触势垒、位相变化、温度等因素对碳纳米管薄膜场发射的影响出发,解释了碳纳米管薄膜场发射特征电流曲线的偏折问题。首先讨论了碳纳米管薄膜场发射的微观机理。碳纳米管薄膜场发射包括金属微尖发射和缺陷发射。拓扑缺陷、杂质缺陷改变了碳纳米管的能带结构、态密度,使电子更容易向真空发射,对碳纳米管薄膜场发射影响很大;碳纳米管薄膜表面改性的实质是构建缺陷,提高场发射能力。提高碳纳米管薄膜场发射性能的原因在于降低碳纳米管薄膜表面势垒或提高态密度;主要采用的方法有:表面原子蒸镀或吸附原子;类金刚石薄膜覆盖;表面原子掺杂等。采用紧束缚近似方法研究了碳纳米管电学性能。分析表明,碳纳米管常温下已发生派尔斯相变,变成强碳键链接的聚合物体系。本文借鉴聚合物的输运,尝试性地提出碳纳米管载流子为孤子,采用双向导电机制解释了电场作用是碳纳米管电荷输运能力增强的原因。碳纳米管电荷靠孤子输运,电场越强链间相互越强,碳纳米管逐渐由一维导电变成二维导电,电荷输运能力显著增强。本文研究了碳纳米管场发射薄膜发射电流特征曲线发生偏折原因。计算表明:衬底与碳纳米管、碳纳米管与真空双势垒引起的遂穿机制变化是碳纳米管薄膜场发射电流特征曲线发生偏折的原因。此外,强电场引起的电荷位相变化、热电子发射也是碳纳米管场发射薄膜电流特征曲线偏折不可忽视的因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 基于场发射显示器的真空微电子器件的应用与发展
• 1.2 碳纳米管薄膜场发射性能的研究
• 1.2.1 有利于场发射的碳纳米管薄膜制备研究
• 1.2.2 有利于场发射的碳纳米管薄膜优化处理
• 1.3 目前存在的问题和本课题研究意义
• 1.3.1 碳纳米管作为场发射薄膜存在的问题
• 1.3.2 课题学术、实用意义
• 1.4 本文的研究内容和创新点
• 1.5 小结
• 2 理论基础
• 2.1 场发射理论基础
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 金属微尖场发射
• 2.1.3 Fowler-Nordheim 公式在碳纳米管场发射性能分析中的应用
• 2.2 碳纳米管场发射机理
• 2.2.1 局域电场增强机制
• 2.2.2 缺陷发射机理
• 2.3 本章小结
• 3 碳纳米管中的载流子
• 3.1 引言
• 3.2 碳纳米管能带模型
• 3.2.1 碳纳米管导电性分析
• 3.2.2 碳纳米管的相变
• 3.3 电场下碳纳米管载流子的输运
• 3.3.1 孤子是碳纳米管中的载流子
• 3.3.2 外加电场作用下碳纳米管的双向导电机理
• 3.4 本章小结
• 4 碳纳米管薄膜场发射电流特征曲线偏折分析
• 4.1 碳纳米管场发射的两个过程-----双势垒模型
• 4.2 衬底—碳纳米管接触影响电子场发射
• 4.3 碳纳米管场发射电流特征曲线偏离的分析
• 4.3.1 双势垒过程对碳纳米管发射的影响
• 4.3.2 强电场和电流热效应影响场发射
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 后续工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录