基于单体石墨纤维的场发射特性研究

霍海波,郑亚娟,麻华丽,董子华,李倩倩,李明玉,丁 佩,曾凡光

(郑州航空工业管理学院材料学院，郑州 450015)

0 引 言

场发射冷阴极电子源在许多真空电子器件中有广泛的应用前景[1-3]，冷阴极相比于传统热场发射阴极具有快速响应、设备小型化、无需提前预热等一系列优点。对场发射电子器件应用而言，阴极材料需要较低的工作电压、较高的发射电流密度、较好的均匀性及较长的工作寿命。金属微针尖、金属氧化物、碳化物和碳纳米结构等多种纳米材料已被广泛研究和应用于电子发射[4-6]。在碳纳米结构中，碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)具有稳定的化学特性、极好的导电导热性能、优异的力学性能及高的长径比，因此基于CNTs的发射体具有独特的场发射性能[7-11]，在电子显微镜、X射线源、平板显示器以及微型化的场发射电子源方面有着广泛的应用[12-15]。

单根CNTs也可以作为冷阴极电子源[16-18]，Houdellier等[19]将多壁CNTs作为尖端，代替传统的钨尖端，将其作为低压扫描电镜(30 kV)和高压透射电镜(200 kV)的电子源，结果发现新的尖端阴极具有较低的开启场强、优异的场发射稳定性、较低的环境噪声等一系列优点,对于CNTs作为阴极而言，存在着很多关键的问题，长径比较大容易造成CNTs的振动，同时纳米级的尺寸使得在实际装备过程中比较困难。本课题组在无催化剂条件下采用化学气相沉积法(CVD)直接生长了单体石墨纤维(monomer graphite fibre, MGF)[20]，所得产物质量分数大于99.99%，外观呈笔直的细丝状，直径范围为0.1～50 μm，长度范围为3～100 mm，MGF的材料组成与CNTs相同，同时毫米及亚毫米级的尺寸又使得实验操控比较方便。因此，如果采用MGF作为冷阴极电子源，可以为冷阴极电子器件设计与装备提供材料支持。

为了研究MGF作为冷阴极电子源材料的场发射特性，本文采用二极管结构，以焊接于圆铜片上的MGF作为冷阴极，以涂有荧光粉的ITO导电玻璃作为阳极，在真空室中进行场发射特性测试。并依据测试实验结果，结合有限元分析软件ANSYS进行仿真分析，得到球形封盖单体结构场增强因子与长径比的函数关系，计算得出MGF的有效发射面积及平均场发射电流密度，对MGF的场发射特性进行了综合验证。

1 实 验

MGF的制备在单温区管式炉中进行，在管式炉中放置石英片作为MGF的生长基底，设置管式炉温度为恒温1 000 ℃，当温度达到后通以甲烷气体，辅助通以氢气和氩气作为还原气体和保护气体，生长过程持续1 h。使用圆铜片(半径1.5 cm，厚度1 mm)作为MGF的载体，将铜片抛光清洗后，从中心钻半径约为1 mm的小孔，然后将导电银胶注入小孔中，在显微镜下放置MGF于银胶中，控制方向使MGF直立于铜片表面，银胶干燥后完成样品制备。

将制备的样品作为阴极，用涂有荧光粉的ITO导电玻璃作为阳极，设置阴阳极间距为0.80 cm，测试时选取的MGF的长度为3.426 mm，球形封盖半径为11.26 μm，整个结构置于动态的真空室中，本次实验所采用的超高真空系统是由沈阳睿之达真空技术有限公司组装，由机械泵和分子泵组成，极限真空可达2×10-6Pa。高压系统采用泰斯曼TRC2025标准机架式高压电源，采用外接KEITHLEY2450数字源表来记录电流数据。阴阳极间距可以通过三维移动操作平台进行操控，开始测试之前，先开启机械泵，当真空度达到5 Pa以下时，开启分子泵抽真空至2×10-4Pa，真空度稳定后开启高压电源，在电流表稳定后读取电流数据，用数码相机通过真空系统观察窗口拍摄场发射过程的图像。

2 结果与讨论

采用机械的方式将石英片表面的MGF剥离，在显微镜下观察，采用粒度分析仪对其中的MGF做尺寸标定，截取后的MGF如图1所示。

图1 MGF显微镜图 (a)MGF的长度尺寸标定；(b)MGF局部放大图Fig.1 Micrographs of MGF (a) length calibration of MGF; (b) partial enlarged view of MGF

从图1(a)中可以看出，所选取的MGF长度约为3.426 mm。图1(b)显示，生长成的MGF顶端为半球形封盖，所选取的MGF球形封盖的半径为11.26 μm。综合来看，所生长的MGF半径约为10 μm左右，长度3～10 mm，该尺寸的MGF可以方便地借助于光学显微镜进行各种操作。

图2所示为采用数码相机拍摄的MGF场发射过程中的图像。整个装置置于真空室中，由于ITO玻璃上涂有荧光粉，开启电场发射后可以看到ITO玻璃上有荧光出现，如图2(a)所示。此处发射的电子应该是从MGF表面场强最大处释放，随着宏观场强增加，电流的发射近似成圆平面，如图2(b)所示，所测圆斑面积明显大于MGF的顶端截面。这可以说明，电子从MGF顶端半球面上发射以后，在电场的作用下呈抛物线轨迹达到ITO玻璃上，从而使得圆斑面积变大。调节电压从0到6 kV变化，分别测量上升和下降两部分，取测量平均值，读取电压和电流数据，实验测量数据如图3所示。

图2 MGF场发射测试图 (a)开始阶段真空室；(b)发射后期Fig.2 Field emission images of MGF (a) vacuum chamber in the initial stage; (b) later stage of field emission

图3 MGF的I-V曲线Fig.3 I-V curve of MGF

通过电压与阴阳极间距离的关系可以换算得到宏观场强。从图3可以看出，在阳极电压为3.82 kV时,换算得到开启场强为0.477 5 V/μm，对应的场发射电流为0.012 mA。当电流达到0.367 mA时，相应的电场强度为0.726 3 V/μm，且在各电压点保持不变时，测试电流数据保持稳定。

3 仿真分析

3.1 场增强因子计算

为了分析MGF在外加电场下的表面电场分布，采用有限元仿真分析软件ANSYS进行仿真分析，由于MGF具有空间旋转对称特性，因此，建模时可以选择二维轴对称平面模型，选取静电模块，采用PLANE121单元，建模示意图如图4所示。

图4 MGF建模示意图Fig.4 Modeling sketch of MGF

设置MGF及底端圆铜片为阴极，ITO导电玻璃为阳极，设置阳极加载电压为开启场强时的电压3.82 kV，加载求解后得到MGF顶端的电场分布。由于对称性，选取从MGF球形封盖顶端到底端的四分之一圆弧，经过结果处理，提取数据后得到的仿真分析数据如图5所示。

从图5中可以看出，从MGF球形封盖顶端到底端，电场强度逐渐减弱。场强最大值出现在顶端，大小为49.49 V/μm，此时宏观场强为0.477 5 V/μm，场增强因子为103.64；场强最小值出现在底端，大小为35.01 V/μm。电子应该先从场强较大处发射。

图5 MGF表面电场分布Fig.5 Electric field intensity distribution of MGF surface

场增强因子一般与单体结构的长径比有关系，找到它们之间的函数关系，可以为类似的单体冷阴极结构电场分布提供预测，并可以为基于单体冷阴极的场发射器件设计提供必要的理论支持。为了分析场增强因子β与长径比h/ρ的关系，通过在同一加载电压(3.82 kV)下，改变长径比，让单体冷阴极的长径比从200倍变化到400倍，依次进行仿真分析，提取峰值场强，并与宏观场强相比得到场增强因子，计算得到的场增强因子β与长径比h/ρ的关系如图6所示。

图6 场增强因子随长径比的变化Fig.6 Variation of field enhancement factor with aspect ratio

从图6中可以看出，随着单体结构长径比的增加，场增强因子逐渐增加，通过Origin自带的直线拟合，对仿真数据进行拟合，得到长径比在200倍到400倍变化时，场增强因子β与长径比h/ρ的关系为

(1)

其中，斜率的标准偏差为0.002 33，截距的标准偏差为0.690 65。在长径比低于200时，场增强因子降低明显，直线拟合偏差增大。

3.2 有效发射面积

随着宏观场强的增加，必将使得低于顶端的球面可以达到顶端开启电场时的标准场强，从而增加发射面积。为了得到发射面积与加载电压的关系，选取开启电场发射时的顶端电场强度49.49 V/μm作为标准场强，据此，计算不同电压下的MGF表面电场分布，依次找到球面上与标准场强相对应的点，依据计算有效发射面积，仿真分析得到的电压与MGF表面有效发射面积的关系曲线如图7所示。

图7 电压随MGF表面有效发射面积曲线Fig.7 Voltage versus effective emissionarea of MGF surface

从图7中可以看出，随着电压的增加，发射电子的有效发射面积逐渐增加，当外加电压为5.36 kV时，MGF半球面已全部达到发射标准场强，最大发射面积为796.226 μm2，此时，球面顶端的场强为69.44 V/μm。进一步，通过实验中测得的I-V曲线及仿真得到的有效发射面积，可以计算出平均场发射电流密度。在实验测量范围内，当电压为5.81 kV时，场发射电流密度为46.069 A/cm2。

4 结 论

采用CVD法以甲烷为碳源，辅助通以氢气和氩气，在单温区管式炉中合成了MGF。选取长度为3.426 mm，球形封盖半径为11.26 μm且直立于圆铜片上的MGF作为阴极，以涂有荧光粉的导电ITO玻璃作为阳极，在真空室中进行了直流场发射特性测试。测试结果表明，MGF的宏观开启场强为0.477 5 V/μm，对应的发射电流为0.012 mA，I-V特性符合场发射特性曲线。采用有限元仿真分析软件ANSYS仿真分析了外加电场下MGF顶端的电场分布，以及长径比在200倍到400倍变化时，单体冷阴极场增强因子与长径比的函数关系。并计算了随着电压变化，MGF表面的有效发射面积及场发射电流密度。结果表明，随着电压的增加，有效发射面积逐渐增加，当电压为5.36 kV时，球面顶端均可以达到场发射标准场强，在实验所测范围内，电压为5.81 kV时，场发射电流密度可以达到46.069 A/cm2。通过分析证明MGF具有较低的开启场强及较高的场发射电流密度，具有良好的场发射特性。通过实验测量与仿真分析的结合验证，可以为基于MGF作为冷阴极电子源的电子器件设计提供实验及理论支持。