碳基纳米材料薄膜结构对场致电子发射的影响

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1、中山大学硕士学位论文碳基纳米材料薄膜结构对场致电子发射的影响姓名：冯宇涛申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：许宁生2003.5.5摘要本论文主要采用热分解化学气相沉积法(thermalchemicalvapourdeposition)制备碳基纳米材料薄膜，即碳纳米管和纳米碳纤维，研究碳基纳米材料薄膜的结构参数对场致电子发射特性的影响。通过控制制备参数(主要有催化剂厚度、生长时间和反应温度等)获得不同结构参数的碳纳米管和纳米碳纤维薄膜，测量其场致电子发射性能，以研究这些制备参数对于阈值电场、电流密度、电流稳定性I的影响矿悼现：1．催化齐d层厚度决定了制备碳纳米管的直径和密度，管径

2、小(～38nm)的碳纳米管薄膜场致电子发射性能较好，其开启电场和闽值电场分别为8MV／m和llMV／m。2．密度适中(～1．69根／岬2)的碳基纳米材料薄膜场致电子发射性能较好，其开启电场和阈值电场分别为5．8MV／m和9．1MV／m。3．较厚(~4．5pm)的碳基纳米材料薄膜(其表面管或纤维的高度参差不齐，高于薄膜平均厚度的碳基纳米材料较多)的场致电子发射性能比较好，其开启电场和阈值电场分别为8．4MV／m和14．5MV／m。4．按照我们现有的设备，制备具有良好场致电子发射性能的碳纳米管的最优化条件为：采用乙炔为碳源，铁为催化剂，铁膜厚度为20nm，并对其氢处理4小时，反应温度为70

3、00C，生长时间为5分钟，其开启电场和闽值电场分别为5．8MV／m和9．1MV／m。5．碳纳米管与纳米碳纤维相比，碳纳米管阈值电场比纳米碳纤维低，结构稳定，纳米碳纤维结构缺陷多，当电流密度较大时很容易烧坏，但是我们制备的碳纳米管是弯曲生长而且是无序排列的，发射均匀性相对于有序生长的纳米碳纤维稍微差些。另外，在实际制作FED器件的电子源时，直立生长的纳米碳纤维具有特别重要的价值。本论文利用VLS(vapour-liquid—solid)模型、静电屏蔽效应等模型对实验结果／进行分析，较好地解释了实验结果。、／v／关键词：碳基纳米材料Vv／结构参数场致电子发射AbstractCarbon．b

4、asednanomaterials(carbonnanotubesandcarbonnanofibres)weresynthesizedbythermalCVDmethod．Differentstructuralparametersofcarbonlbasedmaterialswereobtainedbyadjustingthesynthesisconditionsincludingthethicknessofcatalystfilm，growingtime，reactiontemperature．Effectsoffilmstructuralparametersofcarbon—ba

5、sednanomaterialsonfieldemissionhavebeenstudied．Followingfindingshavebeenobtained．1．Thediameteranddensityofcarbonnanotubesaredependentonthethicknessofthecatalystfilm．Thethinnerthecarbonnanotubes，thebetterfieldemissioncharacteristicsare．2．Optimalfieldemissioncharacteristicsareobtainedfromthecarbon

6、—basednanomaterialswithspecificdensityof—1．69／gm2．3．Thethickerthecarbon-basednanomaterials，thebetterfieldemissioncharacteristicsare．4．UsingOurpresentfacility，thebestdepositionconditionsofgrowingcarbonnanotubesareasfollows：usingacetyleneandironascarbonsourceandcatalyst，respectively．nlethicknessof

7、thecatalystfilmis～20nm，thereducingtimeis--4hours，growingtemperatureisat700oC．Withtheaboveconditions，theturn—onandthresholdfieldofthegrowncarbonnanotubesare5．8MV／mand9．1MV／m．respectively．5．Comparingcarbonnanotubeswimcarbonnan