一种类石墨材料的场发射性能

王蜀霞，贺叶露，杜声玖，刁凯迪

(重庆大学 物理学院，重庆400044)

石墨纤维场致发射性能的研究从1970年开始。Y.Chen等［1］制备的石墨纤维材料在2.5 V/μm外加电场下获得了μA级的场致发射电流(表明石墨纤维材料具备一定的场致发射性能)。MA Hui-zhong等［2］利用脉冲激光消融法制备出一种类石墨薄膜，开启电场为10.8 V/μm。Busta等［3］在硅衬底上利用直流电弧放电法制备了纳米级石墨薄膜，在直径分别为0.5 mm和2 mm的面积上得到了发射点密度为10μA/cm2的结果。但至今对石墨薄膜的制备及在场发射方面的应用［4－6］报导得较少。本文采用传统的热CVD法在Ni丝上沉积了一种类石墨材料，并应用二极结构对其场发射性能进行测试。结果表明该材料具有良好的场发射特性。

1 实验

1.1 类石墨材料制备

类石墨材料由传统的CVD法制备，以CH4为碳源气体，H2为还原气体，Ar为保护气体。将气体先后通入石英管中并加热，在长为4 cm半径为0.5 mm的Ni丝上直接沉积反应产物，此时Ni丝既作催化剂又作沉积衬底。制备成复合丝状冷阴极材料。原理如图1所示。

图1 热CVD法装置原理

1.2 场发射性能测试

复合丝状冷阴极场发射性能采用二极式测试，阳极为U形铜槽，铜槽半径为3 cm，长为4 cm。将复合丝状阴极置于U形槽中心，故阴阳间距为3 cm。场发射测试在定制的场发射测试系统中进行，腔体真空度～8×10－4Pa。电压0～104V连续可调，原理如图2所示。分别测试I－E曲线、I－T曲线。

图2 类石墨材料场发射二级管结构示意图

2 结果与讨论

2.1 形貌表征

图3为沉积在Ni丝上的类石墨，即表面一层的黑色物质，因Ni丝底部需与石英管接触，故有效沉积面积只有Ni丝表面积的一半。

图3 CVD法直接在Ni丝上沉积的类石墨实物

利用场发射扫描电镜(FESEM)对所类石墨材料进行形貌分析，与传统石墨有类似之处但其结构更加独特，是一些纳米片状结构构成的团族，宛若花瓣，既有尖端结构又有刃状结构。这些对场增强效应应该有很大的帮助。如图4所示。

2.2 Raman光谱分析

图5为类石墨材料的一阶Raman光谱，在1 300 cm－1和1 580 cm－1附近出现峰值，分别为D峰和G峰，进一步证明材料中含有石墨微结构存在，所以取名为类石墨材料。

2.3 场发射性能测试

由图6可以看出I－E曲线呈指数关系。在1.7 V/μm外加电场下获得了μA级的场致发射电流，当外加电场大于2.5 V/μm时，场发射电流随着外加电场迅速增大。当外加电场为4 V/μm时，电流密度达到1.85 mA/cm2。

通过I－E曲线可以作出相应的F－N曲线(图6)，可以看出F－N曲线近似为一条直线，说明该材料具有优良的场发射性能。

图6 类石墨场发射I－E曲线和F－N曲线

圆柱形内场强公式为

其中:R=3 cm，为U槽半径;r=0.5 mm，为Ni丝的半径。丝状阴极有效发射长度L=4 cm，有效发射面积为πrL，计算可知，其开启电压为2 800 V，开启电场为2.5 V/μm。鉴于该类石墨材料是碳基材料的一种，本文对比了其他常见碳基材料的开启电场，如表1所示。

表1 不同材料的开启电场

为了测定类石墨材料的最高工作电场强度，仍将阴阳间距保持在3 cm，真空度在8×10－4Pa下，逐渐增大电压，场发射电流开始随电压的增加迅速增大。当外加电压达到一定值后(8×103V)，场发射电流开始减小，且减小得越来越快。可以推测此时类石墨材料在过高的电场强度下表面形态已经被损毁。可以把8×103V看做该材料的最高工作电压，即最高工作电场强度为3.9 V/μm，但由于每根Ni丝上沉积的类石墨材料性能有所差异，所以在最高工作电压、相同电压下场发射电流、开启电场和阈值场也相应地有一点差异，经过反复测试，这种材料的最高工作电压一般在104V左右。超过104V后，材料很容易被损毁，故在测试其性能时一般都保持其正常工作电压为2×103～1×104V。

较其他碳材料(如碳纳米管)，类石墨边缘是连续的，即使边缘上某发射点失效，其他发射点也继续保持发射的连续性，使得发射稳定性可靠。图7为4×103V下类石墨的场发射电流稳定性测试图。真空度维持在～8×10－4Pa下，测试发现在60 min内电流整体波动较小，显示出良好的稳定性能，且当电压为4×103V时，场发射电流密度为40μA/cm2(图8)，进一步显示了这种类石墨材料具有优良的场发射性能。

图7 类石墨材料场发射最高工作电压图

2.4 类石墨材料在照明方面的应用

将U型铜槽内部涂上均匀的荧光粉，模拟成灯管的阳极。表面沉积有类石墨的Ni丝作为荧光灯的灯丝并作为阴极。当阴阳两极的电压达到4×103V以后，U型槽内部开始出现白色的光斑，如图9(a)所示。当电压达到8×103V，槽内发出耀眼白光，如图9(b)所示。图9(c)为绿光。

对荧光灯的电流稳定性进行测试，结果如图10所示。可以看出，电流局部虽有波动，但整体表现出很好的稳定性。电流大小较图8有所增加，主要是因为没涂覆荧光粉时，从类石墨发射出的电子在电场下加速打在铜靶上，类似于X射线管情形，此时一部分电子进入铜靶，一部分电子被铜靶散射，故电流较小。涂覆荧光粉后，荧光粉和铜靶的结合可以看作MS接触(所采用的荧光粉主要成分是ZnS)，由于金属与n型半导体间功函数不一样，(Ef)s＞(Ef)m，n型半导体中的电子将流向金属，当外加正向电压时，n型半导体中电子将进一步流向金属直到二者费米能级平衡，故涂覆有荧光粉后相同电压下电流会增大。

图10 荧光灯的电流稳定性测试

3 结束语

采用(CVD)法制备了一种类石墨材料，用场发射扫描电镜(FESEM)和Raman光谱对其形貌和结构进行分析，发现表面形貌为花瓣片状结构，边缘具有突出尖端。采用二极结构对这种材料的场发射性能进行测试，当外加电场1.7 V/μm时获得了μA级的发射电流，当电场为4 V/μm时，电流密度达到1.85 mA/cm2。开启电场为2.5 V/μm，最高工作电压为8×103V到104V。实践证明，该材料在冷阴极电子源如荧光灯、X射线管方面有很好的发展应用前景。

致谢:感谢重庆大学－重庆启越涌阳微电子科技发展有限公司FGNT研究与应用联合实验室对本工作提供的设备和样品。

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