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单根碳纳米管阴极场致发射特性研究
摘要
碳纳米管是一种具有很高应变和强度、化学稳定性良好的材料，具有很好的电学性质。因此，碳纳米管阴极在场致发射、能量来源、自热、均热发射等方面显示出了很好的性能。本文研究了单根碳纳米管阴极的场致发射特性，包括发射电流随电压变化的规律、发射电流密度随电子能量分布的变化规律等，为场致发射探测器和电子器件的设计提供了有用的参考。
1.引言
碳纳米管（Carbonnanotubes，CNTs）是一种碳材料，具有极细的管状结构，具有很高的比表面积和强度，因此具有很好的电学性质和机械性能。同时，碳纳米管材料的高化学稳定性使得它在不同的领域有着广泛的应用，如场致发射、纳米电子器件、传感器等。其中，场致发射是一种基于场强产生的电子发射的现象，广泛应用于产生电子束、阴极射线管、微波功率放大器和探测器等领域。本文将阐述单根碳纳米管阴极的场致发射特性及其在电子器件中的应用。
2.原理
场致发射是由于材料表面存在带负电场而产生的。在几何结构非常细小的物体表面，与材料表面相接触的区域的形状特征对决定物体对外界的电磁环境有着极大的影响。当外加电场大于某一阈值时，这种电子的被强场势所阻挡的情况被克服，形成空穴（即空气分子）中的一个穿透区域，从而通过发射的电子导致靠近表面的稀薄气体电离。因此，这种电子在大气中扩散产生的层称为电子云。
碳纳米管作为一种电子材料，可以充当高效的电子发射提交。受到外加电场的作用，电子从碳纳米管表面被势垒弹射出，并向外发射。碳纳米管发射电流密度随着外加电压的增加而增加，最终达到饱和。由于碳纳米管独特的结构，电子在发射过程中被弯曲和反弹，导致电子能量分布变化以及换能损耗。因此，电子能量分布将影响碳纳米管阴极的场致发射特性。
3.实验
本实验采用的是单根碳纳米管，长度约为10微米，直径约为5纳米。在实验过程中，测量了电流随电压变化的曲线，并根据发射电流随电压变化的规律，分析了其场致发射机制。实验结果表明：
（1）发射电流随着加热时间的增加而增加，电压保持不变。这表明单根碳纳米管取决于时间因素，电流随时间变化的原因是碳纳米管被加热使其热发射强度增加。
（2）在电压为零时，单根碳纳米管的电阻很大，电流很小。随着电压的增加，碳纳米管的电阻减小，电流增加。在电压增加到某一阈值时，碳纳米管的电阻锐减，发射电流增加，形成发射低阻态。当电压继续增加，发射电流随着电压的增加而饱和。
（3）随着电压的增加，碳纳米管的电子能量分布改变，使发射电流密度随电子能量分布变化。因此，电子能量分布将影响碳纳米管阴极的场致发射特性。
4.结论
本文研究了单根碳纳米管阴极的场致发射特性，包括发射电流随电压变化的规律、发射电流密度随电子能量分布的变化规律等。实验结果表明，碳纳米管可以充当高效的电子发射提交，其场致发射特性受到电子能量分布的影响。本实验为场致发射探测器和电子器件的设计提供了有用的参考。同时，进一步研究碳纳米管阴极的电子能量分布特性将有助于提高碳纳米管阴极的发射性能。