基于單體石墨纖維的場發(fā)射特性研究

霍海波,鄭亞娟,麻華麗,董子華,李倩倩,李明玉,丁 佩,曾凡光

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院材料學(xué)院，鄭州 450015)

0 引 言

場發(fā)射冷陰極電子源在許多真空電子器件中有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]，冷陰極相比于傳統(tǒng)熱場發(fā)射陰極具有快速響應(yīng)、設(shè)備小型化、無需提前預(yù)熱等一系列優(yōu)點。對場發(fā)射電子器件應(yīng)用而言，陰極材料需要較低的工作電壓、較高的發(fā)射電流密度、較好的均勻性及較長的工作壽命。金屬微針尖、金屬氧化物、碳化物和碳納米結(jié)構(gòu)等多種納米材料已被廣泛研究和應(yīng)用于電子發(fā)射[4-6]。在碳納米結(jié)構(gòu)中，碳納米管(carbon nanotubes, CNTs)具有穩(wěn)定的化學(xué)特性、極好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的力學(xué)性能及高的長徑比，因此基于CNTs的發(fā)射體具有獨特的場發(fā)射性能[7-11]，在電子顯微鏡、X射線源、平板顯示器以及微型化的場發(fā)射電子源方面有著廣泛的應(yīng)用[12-15]。

單根CNTs也可以作為冷陰極電子源[16-18]，Houdellier等[19]將多壁CNTs作為尖端，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎢尖端，將其作為低壓掃描電鏡(30 kV)和高壓透射電鏡(200 kV)的電子源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新的尖端陰極具有較低的開啟場強(qiáng)、優(yōu)異的場發(fā)射穩(wěn)定性、較低的環(huán)境噪聲等一系列優(yōu)點,對于CNTs作為陰極而言，存在著很多關(guān)鍵的問題，長徑比較大容易造成CNTs的振動，同時納米級的尺寸使得在實際裝備過程中比較困難。本課題組在無催化劑條件下采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接生長了單體石墨纖維(monomer graphite fibre, MGF)[20]，所得產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.99%，外觀呈筆直的細(xì)絲狀，直徑范圍為0.1～50 μm，長度范圍為3～100 mm，MGF的材料組成與CNTs相同，同時毫米及亞毫米級的尺寸又使得實驗操控比較方便。因此，如果采用MGF作為冷陰極電子源，可以為冷陰極電子器件設(shè)計與裝備提供材料支持。

為了研究MGF作為冷陰極電子源材料的場發(fā)射特性，本文采用二極管結(jié)構(gòu)，以焊接于圓銅片上的MGF作為冷陰極，以涂有熒光粉的ITO導(dǎo)電玻璃作為陽極，在真空室中進(jìn)行場發(fā)射特性測試。并依據(jù)測試實驗結(jié)果，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，得到球形封蓋單體結(jié)構(gòu)場增強(qiáng)因子與長徑比的函數(shù)關(guān)系，計算得出MGF的有效發(fā)射面積及平均場發(fā)射電流密度，對MGF的場發(fā)射特性進(jìn)行了綜合驗證。

1 實 驗

MGF的制備在單溫區(qū)管式爐中進(jìn)行，在管式爐中放置石英片作為MGF的生長基底，設(shè)置管式爐溫度為恒溫1 000 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到后通以甲烷氣體，輔助通以氫氣和氬氣作為還原氣體和保護(hù)氣體，生長過程持續(xù)1 h。使用圓銅片(半徑1.5 cm，厚度1 mm)作為MGF的載體，將銅片拋光清洗后，從中心鉆半徑約為1 mm的小孔，然后將導(dǎo)電銀膠注入小孔中，在顯微鏡下放置MGF于銀膠中，控制方向使MGF直立于銅片表面，銀膠干燥后完成樣品制備。

將制備的樣品作為陰極，用涂有熒光粉的ITO導(dǎo)電玻璃作為陽極，設(shè)置陰陽極間距為0.80 cm，測試時選取的MGF的長度為3.426 mm，球形封蓋半徑為11.26 μm，整個結(jié)構(gòu)置于動態(tài)的真空室中，本次實驗所采用的超高真空系統(tǒng)是由沈陽睿之達(dá)真空技術(shù)有限公司組裝，由機(jī)械泵和分子泵組成，極限真空可達(dá)2×10-6Pa。高壓系統(tǒng)采用泰斯曼TRC2025標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式高壓電源，采用外接KEITHLEY2450數(shù)字源表來記錄電流數(shù)據(jù)。陰陽極間距可以通過三維移動操作平臺進(jìn)行操控，開始測試之前，先開啟機(jī)械泵，當(dāng)真空度達(dá)到5 Pa以下時，開啟分子泵抽真空至2×10-4Pa，真空度穩(wěn)定后開啟高壓電源，在電流表穩(wěn)定后讀取電流數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機(jī)通過真空系統(tǒng)觀察窗口拍攝場發(fā)射過程的圖像。

2 結(jié)果與討論

采用機(jī)械的方式將石英片表面的MGF剝離，在顯微鏡下觀察，采用粒度分析儀對其中的MGF做尺寸標(biāo)定，截取后的MGF如圖1所示。

圖1 MGF顯微鏡圖 (a)MGF的長度尺寸標(biāo)定；(b)MGF局部放大圖Fig.1 Micrographs of MGF (a) length calibration of MGF; (b) partial enlarged view of MGF

從圖1(a)中可以看出，所選取的MGF長度約為3.426 mm。圖1(b)顯示，生長成的MGF頂端為半球形封蓋，所選取的MGF球形封蓋的半徑為11.26 μm。綜合來看，所生長的MGF半徑約為10 μm左右，長度3～10 mm，該尺寸的MGF可以方便地借助于光學(xué)顯微鏡進(jìn)行各種操作。

圖2所示為采用數(shù)碼相機(jī)拍攝的MGF場發(fā)射過程中的圖像。整個裝置置于真空室中，由于ITO玻璃上涂有熒光粉，開啟電場發(fā)射后可以看到ITO玻璃上有熒光出現(xiàn)，如圖2(a)所示。此處發(fā)射的電子應(yīng)該是從MGF表面場強(qiáng)最大處釋放，隨著宏觀場強(qiáng)增加，電流的發(fā)射近似成圓平面，如圖2(b)所示，所測圓斑面積明顯大于MGF的頂端截面。這可以說明，電子從MGF頂端半球面上發(fā)射以后，在電場的作用下呈拋物線軌跡達(dá)到ITO玻璃上，從而使得圓斑面積變大。調(diào)節(jié)電壓從0到6 kV變化，分別測量上升和下降兩部分，取測量平均值，讀取電壓和電流數(shù)據(jù)，實驗測量數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 MGF場發(fā)射測試圖 (a)開始階段真空室；(b)發(fā)射后期Fig.2 Field emission images of MGF (a) vacuum chamber in the initial stage; (b) later stage of field emission

圖3 MGF的I-V曲線Fig.3 I-V curve of MGF

通過電壓與陰陽極間距離的關(guān)系可以換算得到宏觀場強(qiáng)。從圖3可以看出，在陽極電壓為3.82 kV時,換算得到開啟場強(qiáng)為0.477 5 V/μm，對應(yīng)的場發(fā)射電流為0.012 mA。當(dāng)電流達(dá)到0.367 mA時，相應(yīng)的電場強(qiáng)度為0.726 3 V/μm，且在各電壓點保持不變時，測試電流數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。

3 仿真分析

3.1 場增強(qiáng)因子計算

為了分析MGF在外加電場下的表面電場分布，采用有限元仿真分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，由于MGF具有空間旋轉(zhuǎn)對稱特性，因此，建模時可以選擇二維軸對稱平面模型，選取靜電模塊，采用PLANE121單元，建模示意圖如圖4所示。

圖4 MGF建模示意圖Fig.4 Modeling sketch of MGF

設(shè)置MGF及底端圓銅片為陰極，ITO導(dǎo)電玻璃為陽極，設(shè)置陽極加載電壓為開啟場強(qiáng)時的電壓3.82 kV，加載求解后得到MGF頂端的電場分布。由于對稱性，選取從MGF球形封蓋頂端到底端的四分之一圓弧，經(jīng)過結(jié)果處理，提取數(shù)據(jù)后得到的仿真分析數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5中可以看出，從MGF球形封蓋頂端到底端，電場強(qiáng)度逐漸減弱。場強(qiáng)最大值出現(xiàn)在頂端，大小為49.49 V/μm，此時宏觀場強(qiáng)為0.477 5 V/μm，場增強(qiáng)因子為103.64；場強(qiáng)最小值出現(xiàn)在底端，大小為35.01 V/μm。電子應(yīng)該先從場強(qiáng)較大處發(fā)射。

圖5 MGF表面電場分布Fig.5 Electric field intensity distribution of MGF surface

場增強(qiáng)因子一般與單體結(jié)構(gòu)的長徑比有關(guān)系，找到它們之間的函數(shù)關(guān)系，可以為類似的單體冷陰極結(jié)構(gòu)電場分布提供預(yù)測，并可以為基于單體冷陰極的場發(fā)射器件設(shè)計提供必要的理論支持。為了分析場增強(qiáng)因子β與長徑比h/ρ的關(guān)系，通過在同一加載電壓(3.82 kV)下，改變長徑比，讓單體冷陰極的長徑比從200倍變化到400倍，依次進(jìn)行仿真分析，提取峰值場強(qiáng)，并與宏觀場強(qiáng)相比得到場增強(qiáng)因子，計算得到的場增強(qiáng)因子β與長徑比h/ρ的關(guān)系如圖6所示。

圖6 場增強(qiáng)因子隨長徑比的變化Fig.6 Variation of field enhancement factor with aspect ratio

從圖6中可以看出，隨著單體結(jié)構(gòu)長徑比的增加，場增強(qiáng)因子逐漸增加，通過Origin自帶的直線擬合，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到長徑比在200倍到400倍變化時，場增強(qiáng)因子β與長徑比h/ρ的關(guān)系為

(1)

其中，斜率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 33，截距的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.690 65。在長徑比低于200時，場增強(qiáng)因子降低明顯，直線擬合偏差增大。

3.2 有效發(fā)射面積

隨著宏觀場強(qiáng)的增加，必將使得低于頂端的球面可以達(dá)到頂端開啟電場時的標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)，從而增加發(fā)射面積。為了得到發(fā)射面積與加載電壓的關(guān)系，選取開啟電場發(fā)射時的頂端電場強(qiáng)度49.49 V/μm作為標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)，據(jù)此，計算不同電壓下的MGF表面電場分布，依次找到球面上與標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)相對應(yīng)的點，依據(jù)計算有效發(fā)射面積，仿真分析得到的電壓與MGF表面有效發(fā)射面積的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 電壓隨MGF表面有效發(fā)射面積曲線Fig.7 Voltage versus effective emissionarea of MGF surface

從圖7中可以看出，隨著電壓的增加，發(fā)射電子的有效發(fā)射面積逐漸增加，當(dāng)外加電壓為5.36 kV時，MGF半球面已全部達(dá)到發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)，最大發(fā)射面積為796.226 μm2，此時，球面頂端的場強(qiáng)為69.44 V/μm。進(jìn)一步，通過實驗中測得的I-V曲線及仿真得到的有效發(fā)射面積，可以計算出平均場發(fā)射電流密度。在實驗測量范圍內(nèi)，當(dāng)電壓為5.81 kV時，場發(fā)射電流密度為46.069 A/cm2。

4 結(jié) 論

采用CVD法以甲烷為碳源，輔助通以氫氣和氬氣，在單溫區(qū)管式爐中合成了MGF。選取長度為3.426 mm，球形封蓋半徑為11.26 μm且直立于圓銅片上的MGF作為陰極，以涂有熒光粉的導(dǎo)電ITO玻璃作為陽極，在真空室中進(jìn)行了直流場發(fā)射特性測試。測試結(jié)果表明，MGF的宏觀開啟場強(qiáng)為0.477 5 V/μm，對應(yīng)的發(fā)射電流為0.012 mA，I-V特性符合場發(fā)射特性曲線。采用有限元仿真分析軟件ANSYS仿真分析了外加電場下MGF頂端的電場分布，以及長徑比在200倍到400倍變化時，單體冷陰極場增強(qiáng)因子與長徑比的函數(shù)關(guān)系。并計算了隨著電壓變化，MGF表面的有效發(fā)射面積及場發(fā)射電流密度。結(jié)果表明，隨著電壓的增加，有效發(fā)射面積逐漸增加，當(dāng)電壓為5.36 kV時，球面頂端均可以達(dá)到場發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)，在實驗所測范圍內(nèi)，電壓為5.81 kV時，場發(fā)射電流密度可以達(dá)到46.069 A/cm2。通過分析證明MGF具有較低的開啟場強(qiáng)及較高的場發(fā)射電流密度，具有良好的場發(fā)射特性。通過實驗測量與仿真分析的結(jié)合驗證，可以為基于MGF作為冷陰極電子源的電子器件設(shè)計提供實驗及理論支持。