论文部分内容阅读
本文在透射电子显微镜中，利用装有微型扫描隧道显微镜的样品杆(TEM-STM)对单根碳管的场发射性质做了较为系统的研究。利用电子束致沉积技术(EBID)对碳管进行可控连接和塑形，并对其电学和力学性质做了原位测量。
文章通过精确的原位操纵，在透射电镜中获得单根多壁碳管，并利用各种手段可控地改变碳管的尖端结构，将场发射性质和碳管形貌，尤其是尖端结构对应起来。大量的测量表明，碳管的场发射性质对其尖端结构非常敏感，尖端结构的改变可以使开启电压或场增强因子变化超过100﹪；由于石墨片的增强效应，开口碳管比同样尺寸的闭口碳管表现出更低的开启电压；而石墨片边缘的原子级突起导致经典F-N理论算出的结果和测量值明显地偏离。
研究了热场蒸发对碳管尖端结构的破坏，发现电流加热和场蒸发使I-V和F-N曲线呈现明显的多阶段特征。场蒸发使碳管以石墨片不断从开口处脱离的形式缩短，而尖端结构的变化对场发射的影响比长度变化要更显著。我们还发现热场蒸发直接限制了单根碳管获得更大电流。此外，我们利用热场蒸发可控地改变碳管结构，并用电流逐层切断碳管的方法得到了一种曲率半径可控的圆锥状闭口尖端，我们称之为碳管场发射“最佳尖端结构”。
此外，还研究了碳管场发射的两种瞬间失效行为。一种源自于碳管和基底的接触，还有一种由热场蒸发导致电弧放电，从而造成发射体的破坏。为了避免以上失效现象的发生，我们提出并展示了用电子束沉积无定型碳来稳定接触。另外通过缩短碳管的长度，我们获得超过200μA的单根碳管场发射电流。