论文摘要
碳纳米管的发现,引起了全世界众多科学家的广泛关注,其优异的电学、力学、磁学性能,在许多领域有广泛的应用前景。尤其是它具有大的长径比,低的功函数,良好的导电性和纳米级的曲率半径,使它能够在相对较低的电压下就能发射电子,因此被认为是一种优良的场致发射阴极。已经在扫描电子显微镜和透射电子显微镜等高分辨率电子束器件、场致发射平面显示器、微波器件等电真空器件中进行了原理性甚至实用性验证。本文首先对微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)法制备碳纳米管时生长温度、催化剂种类、催化剂厚度、碳源混合气体比例以及基底材料等这些工艺参数对CNT生长产生的影响进行探索性研究,在大面积基底上生长出了定向性好的碳纳米管。进而结合光刻工艺,成功制备出以束尺寸小于3μm的碳纳米管束为单元的场致发射阵列,碳纳米管束排列整齐、均匀性好。相较于传统单根碳纳米管作为一个发射单元,采用一束碳纳米管束作为一个发射单元不但克服碳纳米管生长定向性的问题而且大大提高了碳纳米管阵列的电流发射稳定性从而提高阵列的场致发射性能。场致发射特性测试结果表明:电场强度为4.11V/μm,出现发射电流,此时的电流密度为4mA/cm~2;当电场强度为8 V/μm时,最大电流密度为1.352A/cm~2。最后,本文还对碳纳米管场致发射中的空间电荷效应和碳纳米管阵列密度对场发射性能的影响进行了深入的研究。根据制备的碳纳米管束场致发射阵列的微观结构,建立了实际微观结构的碳纳米管束阵列的场致发射模型,模拟了不同密度碳纳米管阵列的发射电流密度。通过和理论公式计算结果的拟合,分析了阵列密度对场发射性能的影响:纳米碳管过于密集,相邻碳管的场强相互影响,降低了总的发射场强;纳米碳管过于稀松,单根碳纳米管发射电流增大,单位面积碳管数目降低,同样电流密度会减小。结果显示,碳纳米管的长度为4μm时,阵列的最佳的管间距为1μm左右。由此初步得出,管间距为管长的1/4时,此时为阵列的最佳密度。同时模拟出了空间电荷效应对碳纳米管束场致发射阵列发射电流、尖端场强和电子束轨迹的影响:空间电荷效应会抑制发射阴极表面电场,导致发射电流密度降低;影响尖端发射电子的轨迹,导致电子束张角变大。这些模拟的结果为改善碳纳米管阵列的场致发射性能提出了一些改进的途径。
论文目录
摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言1.2 场致发射技术的历史及现状1.3 场致发射阴极阵列的发展1.4 场致发射阵列的应用1.4.1 场致发射用于显示器件的发展1.4.2 场发射阴极阵列在微波器件中的应用1.5 研究碳纳米管场致发射阵列的意义1.6 本课题研究的内容第二章 碳纳米管结构、特性及应用2.1 碳纳米管简介2.2 碳纳米管的结构2.3 碳纳米管的特性2.3.1 碳纳米管的力学特性2.3.2 碳纳米管的电学性质2.3.3 碳纳米管的磁学性质2.3.4 碳纳米管的光学性质2.4 碳纳米管场致发射阴极的应用第三章 碳纳米管的制备方法和生长机理3.1 碳纳米管的制备方法3.1.1 电弧法3.1.2 激光蒸发法3.1.3 化学气相沉积法（CVD）3.2 定向碳纳米管的制备方法3.2.1 间接方法制备定向碳纳米管3.2.2 直接方法制备定向碳纳米管3.2.2.1 电弧法获得定向碳纳米管束3.2.2.2 阳极氧化铝膜模板法3.2.2.3 溶胶-凝胶法3.2.2.4 激光刻蚀基底法3.2.2.5 等离子增强CVD 法3.3 碳纳米管的生长机理3.3.1 电弧法中碳纳米管的生长机理3.3.2 CVD 法制备碳纳米管的生长机理第四章 微波等离子体化学气相沉积的碳纳米管生长工艺探索4.1 碳纳米管的制备工艺4.2 制备温度对 CNTs 生长的影响4.3 催化剂的影响4.3.1 不同种类催化剂对CNT 生长的影响4.3.2 催化剂层厚度对CNT 生长的影响4.4 通入碳源混合气体的比例对CNT 生长的影响4.5 基底对CNT 生长的影响4.6 本章小结第五章 碳纳米管束阵列场致发射特性模拟与测试5.1 金属场致发射的机理5.2 碳纳米管场致发射性能5.2.1 发射机制5.2.2 开启电场和阈值电场5.2.3 发射电流密度5.2.4 场发射电流的稳定性5.2.5 场发射电子能量分布5.3 碳纳米管束场发射阵列的制备5.3.1 催化剂阵列的制备5.3.2 碳纳米管束的生长5.4 碳纳米管束阵列场发射性能测试5.5 模拟计算碳纳米管阵列密度对场致发射特性的影响5.5.1 模型建立和理论计算5.5.2 理论计算和软件模拟结果分析5.6 碳纳米管场致发射阵列中空间电荷效应研究5.6.1 建立考虑空间电荷效应时的碳纳米管场发射模型5.6.2 模型理论分析5.6.3 结果与讨论第六章 结束语致谢参考文献攻读硕士研究期间取得的成果
相关论文文献
标签：碳纳米管论文; 场发射论文; 微波等离子体化学气相沉积论文; 空间电荷效应论文; 阵列密度论文;
