碳納米管在大氣壓環境中的場致發射特性

潛 力 王昱權 劉 亮 范守善

(清華大學物理系，清華—富士康納米科技研究中心，北京 100084)

(2010年5月11日收到;2010年6月3日收到修改稿)

碳納米管在大氣壓環境中的場致發射特性

潛 力?王昱權 劉 亮 范守善

(清華大學物理系，清華—富士康納米科技研究中心，北京 100084)

(2010年5月11日收到;2010年6月3日收到修改稿)

研究了在大氣壓環境下，單根碳納米管作為場致發射陰極，與陽極間距為100—200 nm時的場致發射特性.對比了碳納米管在不同陰陽極間距和不同氣體環境中的場致發射電流和噪聲的特點.

碳納米管，場致發射，大氣壓

PACS:88.30.rh，68.37.vj

1.引 言

微型真空電子管的研究從20世紀60年代開始，雖然制造出了 Spindt型微型真空三極管［1］，但是在微小體積內維持高真空環境卻是一個極難解決的技術難題.氣體吸附在陰極表面會影響陰極電子的逸出功，而場致發射電流隨逸出功指數變化，所以氣體分子的頻繁吸附以及脫附效應會大大影響發射電流的穩定性［2—4］.另一方面，場致發射一般要求陰極表面電場強度達到107V/m，在電場加速下氣體中電離的正離子轟擊陰極表面，會造成陰極的損壞，降低器件壽命［5］.因此，一般場致發射陰極都要求真空度在10－8Torr(1 Torr=0.13322 kPa)以上.在微小的空間維持這么高的真空度非常困難，這使得微型真空管到目前為止仍然沒有實用化.

2001年，德國的 Pescini等［6］制作了陰陽極間距在300 nm左右的場致發射器件，該器件工作在10－6Torr的動態真空系統中，并且測試了這個器件在 10－2Torr的 He，10－2Torr的 N2，以及大氣壓的空氣中的I—V曲線.英國劍橋大學微電子研究組的Driskill-Smith等［7］在 1997—1999 年制作了陰陽極間距為100 nm的真空電子管，工作在10－6Torr的高真空下.那么此類器件能否工作在大氣壓下，從而避開真空的要求呢?本文研究了陰陽極間距為100—200 nm時，碳納米管在大氣壓環境中的場致發射特性.

2.實 驗

將碳納米管均勻分散在溶液中，采用雙向電泳法在原子力顯微鏡(AFM)探針上組裝了單根的碳納米管［8，9］，如圖 1 所示.實驗在 AFM 中進行，實驗原理如圖2所示.組裝有碳納米管的AFM探針作為陰極，一片鍍有Au膜的平整硅片作為陽極.碳納米管距離陽極硅片100—200 nm左右.采用 Keithley 6517作為電源，在0—42 V之間每個電壓下高速采集200個電流值，取其平均值作為最終的電流值，方差則反映了電流噪聲的水平.

圖1 組裝在AFM針尖上的碳納米管

實驗中選定了3個參量，研究它們對發射電流和噪聲的影響，即氣體環境(干燥空氣，He，Ne，Ar);陰陽極間距(100，200 nm)和氣壓(1 atm(1 atm=1.013×105Pa)，10－4Pa).一共有 16 種不同的組合.本次實驗將這16種組合都進行了測量，分組進行對比.

圖2 實驗原理

3.結果及分析

實驗結果如表1所示.在0—42 V的電壓下，除了表中編號為3，4的實驗沒有測量到發射電流外，其他實驗均測量到大于10 nA以上的場致發射電流.

圖3是與陽極間距為100 nm的碳納米管在4種不同氣體中的場致發射電流曲線以及F—N曲線(對應表1中編號為1，5，9，13的實驗).從圖3可以看到，場致發射的開啟電壓都在12 V左右.并沒有顯著差異.圖4中畫出了與圖3實驗對應的場致發射電流噪聲的曲線.噪聲水平是電流方差除以電流平均值，由于開啟電壓以下發射電流很小，與噪聲方差接近，相除以后誤差很大，因此只有開啟電壓以上的電流噪聲才具有參考價值.

表1 實驗結果

從圖4可以看出，空氣中的場致發射電流噪聲最大，這是因為空氣中的O2，N2等活性氣體分子頻繁吸附和脫附會大大影響碳納米管的逸出功［10］，進而影響場致發射電流，而另外三種惰性氣體的吸附和脫附則基本不影響逸出功.在三種惰性氣體中，場致發射電流噪聲的大小依次是Ar>Ne>He.

1 atm下，各種惰性氣體的自由程如表2所示.陰陽極間距分別為0.01，0.1，1，5，10珔λe時電子碰撞的概率分別為 0.99，0.91，0.37，0.007，4.5 ×10－5，這里珔λe為電子平均自由程.

圖3 不同氣體環境下100 nm間距碳納米管場致發射電流曲線內插圖為F—N曲線

圖4 不同氣體環境下100 nm間距碳納米管場致發射電流噪聲的曲線

表2 惰性氣體中的電子平均自由程(300 K，1 atm)

以He為例，如果陰陽極間距在100 nm左右，小于電子在He氣中平均自由程1.07μm的1/10，那么發射電子有91%在飛行過程中不會與He原子碰撞.

惰性氣體 He，Ne，Ar的第一電離能分別為24.587，21.564和15.759 eV，電離效率隨電子能量的變化如圖5所示［11］.從圖5中可以看出，如果電子從陰陽極加速電壓所獲得的能量小于惰性氣體的第一電離能時，氣體原子不會電離.以 He為例，其第一電離能為24.587 eV，而陰陽極間距在100 nm左右的納米場致發射器件的工作電壓大約在10—20 V左右.這樣的工作條件下，電子與惰性氣體原子碰撞后，不會使原子電離，而只是改變電子飛行方向，改變方向后電子的能量幾乎不變，在電場的作用下，最終仍然會到達陽極.

圖5 電離效率隨電子能量的變化

由以上分析可知，電子在氣體中的平均自由程越長，第一電離能越大，則場致發射的噪聲就越小.實驗數據也證明了這一點.因此He中的場致發射電流噪聲最小，是理想的選擇.

圖6顯示了1 atm He氣中碳納米管與陽極間距為100和200 nm時的場致發射電流噪聲對比.從表1中看到，7號實驗數據(200 nm)的開啟電壓為25 V左右，比較25 V以上的噪聲電壓，可以看出200 nm間距的噪聲要比100 nm間距的噪聲大.這是因為陰陽極間距增大時，電子與氣體分子相碰撞的概率會顯著增加.

圖6 不同電極間距下碳納米管場致發射電流噪聲的曲線

4.結 論

綜上所述，碳納米管場致發射陰極與陽極間距在100—200 nm左右時，可以在1 atm的空氣以及惰性氣體環境下發射電子，電子與氣體分子碰撞的概率很低，氣體原子被電子碰撞后電離概率也很低.惰性氣體環境下，場致發射電流的噪聲比在空氣中的噪聲小.因此，微型場致發射器件可以工作在大氣壓的惰性氣體環境，從而避開真空的要求.

［1］Spindt C A 1968J.Appl.Phys.39 3504

［2］Maiti A，Andzelm J，Tanpipat N，von Allmen P 2001Phys.Rev.Lett.87 155502

［3］Zhang Z X，Hou SM，Zhao X Y，Zhang H，Sun JP，Liu W M，Xue Z Q，Shi Z J，Gu Z N 2002ActaPhys.Sin.51 434(in Chinese)［張兆祥、侯士敏、趙興鈺、張 浩、孫建平、劉惟敏、薛增泉、施祖進、顧鎮南 2002物理學報 51 434］

［4］Zhang Z X，Zhang G M，Hou SM，Zhang H，Gu Z N，Liu W M，Zhao X Y，Xue Z Q 2003ActaPhys.Sin.52 1282(in Chinese)［張兆祥、張耿民、侯士敏、張 浩、顧鎮南、劉惟敏、趙興鈺、薛增泉 2003物理學報 52 1282］

［5］Charbonnier F 1997VacuumMicroelectronicsConference，TechnicalDigest.，10thInternationalpp 7—13

［6］Pescini L，Tilke A，Blick R H，Lorenz H，Kotthaus JP，Eberhardt W，Kern D 2001Adv.Mater.13 1780

［7］Driskill-Smith A A G，Hasko D G，Ahmed H 1999Appl.Phys.Lett.75 2845

［8］Lee H W，Kim S H，Kwak Y K，Han C S 2005Rev.Sci.Instrum.76 046108

［9］Tang J，Yang G，Zhang Q，Parhat A，Maynor B，Liu J，Qin L C，Zhou O 2005NanoLett.5 11

［10］Sheng L M，Liu P，Liu Y M，Qian L，Huang Y S，Liu L，Fan S S 2003J.Vac.Sci.Technol.A 21 1202

［11］Chen P J 1987ScientificFoundationsofVacuumTechnique(Beijing:National Defense Industry Press)p571(in Chinese)［陳丕謹1987真空技術的科學基礎 (北京:國防工業出版社)p571］

PACS:88.30.rh，68.37.vj

Field em ission of carbon nanotube under atmospheric pressure

Qian Li?Wang Yu-Quan Liu Liang Fan Shou-Shan
(Tsinghua-Foxconn Nanotechnology Research Center，Department of Physics，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
(Received 11 May 2010;revised manuscript received 3 June 2010)

Field emission of carbon nanotube in different gases(for example，Air，He，Ne)under atmospheric pressure has been studied.The distance between anode and cathode was 100—200 nm.Detailed comparison has been made to characterize the field emission currents and fluctuations in various gases with different anode-cathode distances.

carbon nanotube，field emission，atmospheric pressure