论文部分内容阅读
相比于传统的热阴极材料,场发射冷阴极材料具有瞬时响应、功耗低等特点,在民用、军事和航天等领域均有广泛的应用[1]。其中,场发射冷阴极在微波真空电子器件中的应用是真空微纳电子领域的一个前沿研究方向。采用冷阴极作为微波真空电子器件的电子源,无需加热,工作温度低,启动速度快,可以实现简单化、小型化、便携式的器件设计。发展此类冷阴极的关键之一是研制具有高电流密度、大电流场发射特性的冷阴极材料。高熔点金属钼具备高电导、高热导以及高温性能稳定等良好的物理性质,是传统的场发射冷阴极材料,受到研究者的广泛关注。在针对微波真空电子器件应用的场发射冷阴极研究中,Spindt型钼微尖阵列冷阴极已经取得了一定的进展,并有成功应用于行波管和功率型三极管等器件的相关报道。但是,这种基于自上而下法（Top-Down）的微加工技术,冷阴极制作难度大、成本昂贵、成品率低,不易在商用、民用中大规模推广。采用VS生长机制的气相沉积法,则可以较为方便地获得单质金属钼的纳米结构,同时可以发挥高熔点金属钼高电导、高热导、低功函数等性能方面的优势。我们基于热蒸发物理气相沉积的技术,在较低的真空环境下获得了堆垛型纳米锥、螺旋型纳米锥、直立二维纳米墙、纳米树、单晶纳米金字塔等多种单质钼纳米结构,如图1所示。例如,成功制备出电导率为3.44×104?-1cm-17.74×104?-1cm-1的准一维钼纳米锥[2]和0.88×104?-1cm-15.23×104?-1cm-1的二维钼纳米墙[3]结构,并对它们的形貌、结构、成分进行了系统表征;研究了它们的生长机理,认为钼纳米锥的生长遵循螺旋生长机制,与热蒸发过程中的钼原子蒸汽过饱和度有很大关系,而钼纳米墙的形成主要归因于表面原子排列、晶格匹配以及竞争生长机制的共同作用。我们较系统地研究了单质钼纳米结构的场发射特性,获得了具有优秀场发射大电流特性的螺旋型钼纳米锥结构[2]。面积为0.02 cm2的螺旋型钼纳米锥薄膜,在直流驱动模式下场发射开启电场和阈值电场低至1.65 MV/m和3.5 MV/m,可以获得最大发射电流及对应电流密度为2.12 mA和106.39 mA/cm2;在脉冲驱动下最大发射电流为20.16 mA,对应电流密度约1 A/cm2;单根发射体的最大发射电流达到15.8μA,对应的电流密度达到20.12×104 A/cm2。我们还深入研究了准一维钼纳米结构内部晶粒构筑形态对场发射特性的影响,提出了在大电流场发射过程中材料内部晶界数量影响材料的热导率和耐流性的理论解释[4]。以上通过原位TEM实验结果得到了证实。这一结果建立了材料物理性质表象与微观结构之间的联系,表明减少内部晶界数量是提升材料场发射大电流能力的一种有效的途径。基于此,我们改良了热蒸发技术,并成功制备出了单晶性能优异的钼纳米金字塔结构[5]。此外,针对特殊环境下的场发射应用要求,我们还对所制备的单质钼纳米结构进行了氧气气氛下的原位场发射特性研究[6]。结果表明,二维纳米墙比一维纳米锥具备更加优秀的抗氧化特性。当通入高纯氧气至气压高于1×10-3 Pa,钼纳米墙能保持稳定且可回复的场发射性能。进一步地,我们从理论上提出了直立二维纳米结构在氧化性气体环境中,场发射端面边缘局域电场降低的同时,其自身内部的连续性能有效维持场发射供电子能力的机理解释。该研究结果对直立二维纳米结构在真空电子器件中的应用提供了参考。