碳纳米管块体复合材料制备及电子发射特性研究

论文摘要

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是最有前景的场发射阴极材料之一。但CNTs薄膜阴极在劣真空、高电场等恶劣工况下,CNTs薄膜的抗损伤能力、可重复性及稳定性受到负面影响;以及薄膜在与器件的组装过程中易受到人为损伤,这都限制了碳纳米管阴极的实际应用。为此,本论文提出碳纳米管块体阴极的方案来解决这些问题,从碳纳米管块体阴极的制备与优化、阴极表面处理等方面开展了一系列工作,得出了一些有用的研究成果。系统研究了制备方法(球磨和超声搅拌)、烧结温度、CNTs含量对碳纳米管块体阴极场发射性能的影响,并在此基础上研究了阴极性能优化工艺。研究表明:1)在干法球磨下,700℃烧结、CNTs为10%时阴极的场发射性能最佳;2)在湿法球磨下,800℃烧结、CNTs含量为15%时阴极的场发射性能最佳;3)CNTs的缺陷发射以及屏蔽效应共同影响阴极的场发射能力;4)羧基化的CNTs,以及硝酸腐蚀阴极表面,均能提升阴极的场发射性能;5)超声分散方法在800℃烧结、CNTs含量为10%时阴极的场发射性能与球磨制备的阴极的最佳性能相当。对比了碳纳米管块体阴极和薄膜阴极的场发射性能。碳纳米管薄膜阴极初次开启电场为0.23 V/μm、最大发射电流密度为5613.76μA/cm~2,但之后这些性能都开始急剧下降,第二次测试的最大发射电流密度与块体阴极的最大发射电流密度相当,至第七次时,开启电场增加到1.73 V/μm,最大发射电流密度降至38.52μA/cm~2,仅为块体阴极的十分之一左右。而碳纳米管块体阴极的开启电场和最大发射电流密度在多次连续测试中均保持高度的可重复性:开启电场(2.20±0.07V/μm)和最大发射电流密度(340±50μA/cm~2)。因此,从器件实际应用角度看,碳纳米管块体阴极的综合性能显著好于薄膜阴极。其原因可能在于块体阴极具有一定的自我恢复能力。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 常见电子源及发射原理

1.2.1 光致发射阴极

1.2.2 次级发射体

1.2.3 热发射阴极

1.2.4 场致发射电子源

1.3 场发射阴极材料

1.3.1 金属微尖阵列材料

1.3.2 金刚石、类金刚石材料

1.3.3 金属氧化物

1.3.4 碳纳米管及其复合材料

1.4 碳纳米管的场发射机理

1.4.1 局域电场增强机理

1.4.2 缺陷发射机理

1.5 碳纳米管阴极存在的缺陷

1.6 本论文研究的主要内容

1.6.1 本论文的研究意义

1.6.2 本论文的创新点及主要研究内容

2 碳纳米管块体复合材料的制备及表征

2.1 实验原料、设备及技术路线

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.1.3 技术路线

2.2 干法高能球磨制备碳纳米管块体复合材料及表征

2.2.1 材料的制备

2.2.2 材料的表征

2.3 湿法高能球磨制备碳纳米管块体复合材料及表征

2.3.1 材料的制备

2.3.2 材料的表征

2.4 超声搅拌法制备碳纳米管块体复合材料及表征

2.4.1 材料的制备

2.4.2 材料的表征

2.5 X射线衍射仪对烧结样品的分析

2.6 本章小结

3 碳纳米管块体复合材料的电子发射特性

3.1 场发射测试系统

3.2 高能球磨法制备的块体碳纳米管复合阴极场发射特性

3.2.1 烧结温度对块体碳纳米管复合阴极场发射性能的影响

3.2.2 碳纳米管含量对块体碳纳米管复合阴极场发射性能的影响

3.2.3 碳纳米管种类、球磨方法对块体阴极场发射性能的影响

3.2.4 硝酸处理对块体碳纳米管复合阴极的场发射性能的影响

3.3 超声搅拌法制备的块体碳纳米管复合阴极的场发射特性

3.3.1 不同碳纳米管含量的块体碳纳米管复合阴极的场发射性能

3.3.2 三种不同方法制备的阴极的场发射性能比较

3.4 本章讨论分析与结论

3.4.1 讨论分析

3.4.2 本章小结

4 碳纳米管块体复合阴极的场发射稳定性

4.1 碳纳米管的块体阴极与薄膜阴极场发射性能的简单比较

4.1.1 碳纳米管的块体阴极与薄膜阴极场发射性能对比

4.1.2 机理分析

4.2 短期效应的场发射电流稳定性

4.2.1 测试要求

4.2.2 测试数据及分析

4.3 长期效应的场发射电流稳定性

4.3.1 测试要求

4.3.2 测试数据及分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

全文总结

展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡林杰

导师: 曾凡光,张奎

关键词: 碳纳米管,块体阴极,场发射,屏蔽效应,自我修复能力

来源: 郑州航空工业管理学院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 郑州航空工业管理学院

基金: 河南省科技创新杰出人才项目,中国工程物理研究院

分类号: TB33;O462

总页数: 67

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