碳纳米管场发射电子源的仿真设计与性能测试
郝明;王聪;蒋睿;蔡宗佳;齐天缘;巴要帅;谢元华;刘坤
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2023(29)1
【摘要】碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)因其优异的电学性能和大长径比被广泛用作电子源阴极材料。CNTs具有高稳定性和长寿命等特点,广泛应用于高压电极电真空器件中。CNTs电子源采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工艺,有助于质谱分析元件、电离真空计、微推力推进器等真空元器件的微型化。设计了一种基于碳纳米管的带有气体进样和离子传输通道的三电极场发射电子源,可为MEMS质谱离子源提供电子束。通过仿真分析和实验测试,研究了栅极结构和馈电参数对场发射性能的影响规律。仿真分析最大场发射阴极电流为46.085μA,电子透过率为64.28%;实验测试最高场发射电流密度为1.62 A/m^(2),电子透过率为75.34%。
【总页数】9页(P58-66)
【作者】郝明;王聪;蒋睿;蔡宗佳;齐天缘;巴要帅;谢元华;刘坤
【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】O462.5
【相关文献】
1.碳纳米管光场致发射新型电子枪的初步方案设计
2.基于碳纳米管场发射的压力传感器仿真与设计
3.超顺排碳纳米管场发射电子源在射频离子微推进中和器中的应用
4.模拟研究常闭和常开工作模式下的平面栅极型碳纳米管场发射电子源
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碳纳米管及场发射的特征 摘要：相对于早期的阴极射线管信息显示技术（CRT），目前的场发射显示（FED）是一种平板显示成像技术，以轻质量、小体积为优势，同时又具备CRT的优点而迅速发展。场发射技术为冷阴极材料开发的重要指标，而新材料的选取成为工业发展的趋势。碳纳米管（CNTs）以其极高的长径比、极小的端部曲率半径和低逸出功等优势成为新一代的冷阴极材料，碳纳米管的合成、制备对材料的发展起至关重要的作用。 关键词：场发射，碳纳米管，制备 1、引言 纳米技术和纳米科技成为21世纪新兴科学技术，现今，纳米技术广泛应用于军工、航空、医药、制造、光学及国防等领域，为世界的发展做出重大贡献。纳米技术的发展，纳米材料的制备、性能及应用等发面研究成为现代科研人员最为关注的一点。本文从碳纳米管及场发射的相关知识出发，通过对碳纳米管的结构、性能、制备及应用等发面的讨论，将作为新材料开发的碳纳米管做了详细分析。同时对与碳纳米管相关联的场发射作以阐述，将场发射的原理、所
需的冷阴极材料、性能及其应用加以分析。 2、碳纳米管 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。 2、1碳纳米管的结构 碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一 定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。它是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。 由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。 2、2碳纳米管的性能 2、2、1力学性能 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有
碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化 近年来，随着纳米科技的快速发展，碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）作为一种具有巨大潜力的纳米电子器件引起了广泛关注。CNT-FET以其优异的电学性能和独特的结构特点，被认为是下一代高性能晶体管的有力竞争者。本文将探讨碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化。 首先，碳纳米管的材料特性使其成为理想的电子输运通道。碳纳米管具有优异的载流子迁移率和高电导率，这使得CNT-FET在高频电子器件中具有巨大的应用潜力。研究人员通过调控碳纳米管的直径、手性和结构等参数，可以实现对CNT-FET电学性能的精确调控。例如，通过控制碳纳米管的直径，可以实现对CNT-FET的载流子迁移率和开关速度的调节，从而优化其性能。 其次，碳纳米管场效应晶体管的结构特点也为其性能的优化提供了可能。CNT-FET的结构由源极、漏极、栅极和碳纳米管通道组成。通过调节栅极电压，可以实现对CNT-FET的电流开关控制。此外，研究人员还通过引入高介电常数的栅介质材料，如氧化铝或高介电常数聚合物，来增强CNT-FET的电流开关比。这种结构优化的方法可以显著提高CNT-FET的性能。 此外，碳纳米管场效应晶体管的制备工艺也对其性能进行了优化。目前，研究人员已经发展出了多种制备CNT-FET的方法，如化学气相沉积、电化学沉积和机械剥离等。这些制备方法可以实现对CNT-FET的尺寸和结构的控制，从而优化其性能。同时，研究人员还通过控制碳纳米管的生长温度和气氛等参数，来实现对CNT-FET电学性能的调节。这些制备工艺的优化将为CNT-FET的应用提供更多可能性。 最后，碳纳米管场效应晶体管的应用也是其研究与优化的重要方向之一。CNT-FET在高频电子器件、柔性电子器件和生物传感器等领域具有广泛的应用前景。例如，CNT-FET可以用于制备高性能的射频放大器和振荡器，以满足日益增长的无线通信需求。此外，CNT-FET还可以用于制备柔性电子器件，如可弯曲的
旋涂法制备碳纳米管阴极及其场发射 性能的测试 钱开友，颜丙勇，王芸，叶枝灿，徐东，蔡炳初 薄膜与微细技术教育部重点实验室， 微米/纳米加工技术国家级重点实验室， 上海交通大学微纳米科学技术研究院，上海200030 【摘要】：采用Y2O3和Ni作催化剂，在H2和He混合气体气氛下通过弧光放电法得到高纯度的单壁碳纳米昔。在用热氧化提纯法对高纯度碳纳米昔产物进行进一步提纯后，用这种碳纳米昔粉末与酒精配制成悬浮液，通过旋涂、十燥、退火等工艺得到碳纳米昔阴极薄膜。I-V测试表明用该法得到的碳纳米昔薄膜具有良好的电子场致发射性能。 【关键词】旋涂法；弧光放电法；碳纳米管；场发射 1引言 自从1988年第一届真空微电子国际会议(IVMC)正式确立真空微电子学的概念以来，采用场发射冷阴极材料作为先进微电子器件的电子发射源的研究受到了人们的广泛关注。目前场发射冷阴极的研究与应用主要集中在碳基材料包括金刚石、类金刚石(DLC)和碳纳米管(CNTs)等领域，尤其是CNTs由于其独特的纳米结构和表现出的优良场发射性能，已引起了人们的广泛研究兴趣，其作为新一代场发射冷阴极的研究当前相当活跃. 目前制备CNT、的方法有很多种，但用CNT、来制备场发射阴极薄膜，到目前基木上只有两种方法:化学气相沉积法和丝网印刷法前者是目前应用最广泛的，最易实现大规模生产的一种制备的方法。一般采用铁，钻，镍及其合金作催化剂，乙炔，甲烷，丙烯等碳源，在稀释气体和高温下催化裂解产生自由碳原子沉积形成CNTs。为更有效地合成CNTs，还采用等离子体加强(PECVD )或微波辅助(MPCVD)的方法来保持碳原子均匀分布。这种方法对设备和工艺都提出来了一定的要求。后者一般用于需要场发射阴极区域较大的场合如场发射显示器(FED)，而对需要场发射阴极区域尺寸较小时就无能为力了，并且其中涉及的CNT、浆料成份及其配比等工艺直接影响CNTs的场发射性能。对于这部分的具体工艺，掌握起来也有相当的难度。出于以上的原因，同时考虑进一步在实际器件的应用，我们研究了采用旋涂法将电弧放电法得到的SWNT、来制备场发射阴极并测定其场发射性能。 2实验 大批量制备CNTs的方法有两种:弧光放电法和CVD法。我们采用的是弧光放电法。电弧放电法是最早用于制备CNT、的方法，也是最主要的方法之一。最初用弧光放电法制备CNT、时所用两个电极都是纯石墨，用这种方法得到的CNT、一般是多壁(MWNTs )。后来人们采用金属氧化物作填充物也得到了单壁碳纳米管SWNTs。SWNTs管的质量和产量主要与所用自由化剂有关。 我们采用弧光放电法制备SWNT、的设备主要由电源、石墨电极、真空系统和冷却系统组成。经优化的制备工艺如下:用两个直径为6mm石墨棒作电极，一个固定作阴极，另一个可移动作阳极。阳极石墨棒中央iii有一直径为4mm的孔，填入石墨. Y2O3和Ni粉，重量比为C:Ni:Y2O3 =2:2:1。工作时先将电弧室抽真空C - 10-' Pa)，再充入惰性气体He和H.
碳纳米管的特性及其分析应用 摘要 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。 关键词：碳纳米管；特性；仪器分析I
一、引言 碳纳米管（CNT,又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC的饭岛博士发现。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。由于其优异的力学、电学和光学特性，碳纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。 二、碳纳米管的制备方法 其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。 （一）电弧放电 电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流，电压10?10 0伏，电流0?10安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳 纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。 （二）激光蒸发法 激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法?用高能CC2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管，管径可由激光脉冲来控制。激光脉冲间 隔时间越短，得到的碳纳米管产率越高，而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO激蒸发法，在室温下可获得碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸
碳纳米管场发射器件放气特性分析及其对场发射性能的影响崔云康;狄云松;陈静;唐春红 【摘要】To study the mechanism of current degradation of a cold cathode,the ougassing analysis of a field emission diode with screen-printed carbon nanotubes(CNTs) cathode has been taken with a quadrupole mass spectrometer(QMS) in an ultra-high vacuum (UHV) system.It was found that H2,CO2 and CO were outgassed from the diode during the working process.The partial pressure of outgassing increases with the increased emission current density.The field emission properties of the cold cathode,such as turn-on field,threshold field and the emission current density,were largely related to the pressure of the outgases.After the CNTs cathode had 1.5 hour field emission operation at 2.1×10-3 Pa total pressure,the turn-on field and threshold field increased 29.4％ and 50.0％ respectively compared with their original values.Due to the outgassing,the work function of CNTs cold cathode increased,while the field enhancement factor decreased.Increasing the work function and reducing the field enhancement factor decrease the field emission characteristics of the cathode.Therefore,the outgassing plays very important role in the current degradation for the field emission devices.%为了研究场发射冷阴极电流跌落机制,采用四极质谱仪实时分析的方法研究了碳纳米管阴极场发射器件的放气特性及工作状态下器件内残余气体对阴极场发射性能的影响.结果表明:碳纳米管阴极场发射器件工作时,放出气体的主要成份是 H2,CO2,CO;随着阴极发射电流密度的增加,气体成份的分压也随着增加.碳纳米管
碳纳米管的合成原理与电子传输性质碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺寸的管状结构，具有独特的物理 和化学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。本文将介绍 碳纳米管的合成原理以及其电子传输性质。 一、碳纳米管的合成原理 碳纳米管的合成涉及到多种方法，其中最常用的方法是化学气相沉 积（CVD）和电化学沉积（ECD）。 1. 化学气相沉积（CVD）法 CVD法是一种通过热解碳源气体在催化剂表面生长碳纳米管的方法。一般而言，该方法主要包括以下步骤： （1）预处理：将催化剂（通常使用镍、铁等金属）覆盖在载体上，并进行适当的预处理，以提高催化剂的活性。 （2）碳源气体供应：将碳源气体（如甲烷、乙烯等）引入反应室中，同时提供适当的惰性气体（如氢气）以稀释碳源气体。 （3）加热反应室：反应室中的催化剂被加热至适当的温度（通常 为600-1000摄氏度），使碳源气体发生分解反应。 （4）碳纳米管生长：碳源气体分解产生的碳原子在催化剂表面沉 积并结晶，形成碳纳米管。 2. 电化学沉积（ECD）法
ECD法是一种利用电化学原理，在合适的电位下，在电极表面沉积碳纳米管的方法。具体步骤如下： （1）制备电极：选择适当的导电材料作为电极，如玻碳电极、金属电极等，使其表面光滑且无缺陷。 （2）电解液制备：选择合适的电解液，其中必须含有碳源，如氨水、甲基化合物等。 （3）电沉积：将电极浸入电解液中，施加适当的电位，通过电解反应使碳源离子还原形成碳纳米管在电极表面沉积。 （4）碳纳米管表征：将合成的碳纳米管从电极上取下，经过必要的清洗和表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行形貌和结构分析。 二、碳纳米管的电子传输性质 碳纳米管的电子传输性质主要由其结构和几何形状决定，下面将介绍两种常见的电子传输性质： 1. 金属性碳纳米管 金属性碳纳米管具有类似金属材料的导电特性，其导电行为可以用自由电子气模型描述。这种类型的碳纳米管具有优良的电子传导性能和低内阻，因此在纳米电子器件中有广泛的应用。 2. 半导体性碳纳米管
碳纳米管场发射工作原理 碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种由碳原子构成的 纳米材料，具有优异的力学性能和导电特性。碳纳米管场发射是一种 利用碳纳米管的特殊性质进行电子发射的技术。本文将深入探讨碳纳 米管场发射的工作原理。 一、碳纳米管的基本结构与性质 碳纳米管是由一个或多个层状的碳原子构成的管状结构，形状类似 于卷曲的石墨片。它们可以分为单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，简称SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes，简称MWCNTs）两类。 碳纳米管的直径通常在纳米级别，长度可以从几十纳米到数百微米，具有高比表面积和特殊的电子结构。碳纳米管由于其独特的力学与电 学性质，成为研究和应用领域中的热点材料。 二、碳纳米管场发射的基本原理 碳纳米管场发射是一种基于电子的发射机制，通过加电场的作用， 使碳纳米管表面的电子获得足够的能量，克服表面势垒，从而从管端 发射出来。其基本原理可分为电子发射起源、电场作用和空间电荷限 制三个方面。 1. 电子发射起源：碳纳米管中存在着大量的电子能级，在零温下， 一些能级未被填满，形成费米面以下的电子。当外加的电场作用力与
碳纳米管表面形成的势垒相抵消时，费米面以下的电子就有可能越过 势垒，进入真空区域。 2. 电场作用：外加电场的存在使得碳纳米管表面的费米能级发生变化，对于单壁碳纳米管，外加电场将改变管中电子的滑移速度和分布。增加电场强度可使输运方向上的电子加速并克服表面势垒从而实现电 子的发射。 3. 空间电荷限制：碳纳米管发射电流受到空间电荷限制效应的影响。当发射电流增加时，由于发射出的电子所占据的空间电荷会增大，使 得发射电流增加需要更高的电场强度来克服空间电荷排斥力。 三、碳纳米管场发射器件的应用 碳纳米管场发射技术在电子器件领域具有广泛的应用前景。以下是 一些常见的应用： 1. 碳纳米管场发射显示器：利用碳纳米管场发射技术，可以制造出 更薄、更轻、更节能的平板显示器。与传统的液晶显示器相比，纳米 管场发射显示器具有更高的亮度和对比度，更广泛的色域。 2. X射线源：碳纳米管场发射技术可以用于制造紧凑型的X射线源，具有小型化、高强度、高分辨率的特点，可广泛应用于医疗、安全检 测和材料分析等领域。 3. 电子加速器：利用碳纳米管场发射技术可以制造出尺寸更小、性 能更优的电子加速器。碳纳米管场发射器件能够提供较高的电子流密 度和较短的脉冲宽度，使得电子束能量更加集中和精确。
CNFs的电学特性 随着电子技术的飞速发展，各种新材料的应用也越来越广泛。其中，CNFs （碳纳米管）在电子领域具有很高的研究价值和应用前景。CNFs是由碳原子构成的管状物质，具有极小的尺寸和高度的可调性。本文将重点探讨CNFs的电学特性及其在电子器件中的应用。 CNFs的电学特性 CNFs的电学特性一般可以从电导率、能隙、场电子发射等方面来进行研究。 1. 电导率 CNFs的导电性主要受到其直径、长度、结构等因素的影响。研究表明，CNFs 的导电性较高，可与铜导线相媲美。这是由于CNFs内部原子间距很小，电子间的相互作用强烈，导致电子运动受到整个管壁的限制，从而呈现出良好的电导性能。 2. 能隙 能隙是指固体中电子能量带的分界点，代表电子在能量带之间所需要的能量。在CNFs中，能隙较小，表现为良好的导电性能。同时，由于其电子结构具有较强的同向性，CNFs具有优良的电子传输性能。这一点对于电子器件的制造具有十分重要的意义。 3. 场电子发射 CNFs还具有良好的场电子发射性能。它们具有较低的发射电压和高的发射电流密度，这是由于CNFs的尺寸小、结构独特，表面形态大量存在，因此呈现出优异的电子发射行为。这一点对于生产高性能场发射器、电子加速器等领域具有很高的应用价值。 CNFs的应用
CNFs的电学特性为其在电子器件中的应用提供了广泛的空间。下面我们将从领域和具体应用两个方面探讨CNFs的应用前景。 1. 领域 CNFs在以下领域中有着广阔的应用前景： （1）能源 CNFs由于其高的热导率、电导率，以及良好的催化性能，可应用于研制新型太阳能电池、燃料电池等领域。 （2）电子器件 CNFs由于其良好的导电性、场发射性能和优良的机械稳定性，可应用于轻量化电子器件、柔性显示器、高性能场发射器等领域。 （3）生物医学 由于CNFs具有良好的生物相容性，且其直径与某些生物分子相当，因此在生物医学领域中具有很大的应用潜力。 2. 具体应用 CNFs的具体应用主要包括： （1）电极材料 CNFs作为尺寸小、导电性能好的材料，被广泛应用于电极领域。比如在超级电容器、锂离子电池等器件中作为电极，经过实验表明，CNFs电极的导电性能、储能能力等方面均表现出卓越的性能。 （2）场发射器
碳纳米管的制备及其应用 碳纳米管（CNTs）是1991年日本NEC公司的电镜专家Iijima在制备C60的阴极沉积物中首次用高分辨电子显微镜(HRTEM) 发现的，是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的同轴中空“微管”，两端的“碳帽”由五边形或七边形网格参与封闭。其结构随制备方法和条件的不同而异。主要区别在于CNTs的壁有单层的，称为单壁碳纳米管（SWNTS）；也有多层的，称为多壁碳纳米管（MWNTS）。CNTs的管身有笔直的，也有弯曲的。另外，在MWNTS的片层之间还存在一定角度的扭曲，称为螺旋角，它对CNTs的导电性能有较大的影响。正是由于CNTs的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。 作为一种新型的准一维管状结构功能材料，CNTs具有很大的长径比，一般大于1000。碳纳米管的独特结构，使它具有与金刚石相同的热导和力学性能，独特的磁学性质，优良的强度、模量、延伸率、弯曲性和耐强酸强碱性，优异的电学与光学性质，在未来高科技领域中具有许多潜在应用价值，是化学、物理及材料科学领域的研究热点。 1碳纳米管的制备及纯化 1.1碳纳米管的制备 高纯度和高产率碳纳米管的制备是碳纳米管研究的一个重点。目前制备碳纳米管的方法 主要以下几种： 1.1.1电弧法 电弧法实际上是传统生产Fullerene的方法。其原理是采用面积较大的石墨棒(直径为20 mm) 作阴极，面积较小的石墨棒(直径为10 mm) 为阳极，两石墨电极间总是保持l mm的间隙并在两根石墨之间放电。阳极石墨棒不断被消耗蒸发，而沉积在阴极上形成碳纳米管。电弧法制备的一般都是MWNTs且尺寸小(长度1μm )，更重要
碳基纳米材料的多尺度设计和应用 在当今人类社会中，碳氢化合物的应用实际上无所不在。作为一种基本的化学 元素，碳在各种生物和非生物过程中扮演着重要的角色，同时也是许多工业生产过程中必不可少的基础材料之一。因此，对于碳材料的研究和应用在人类社会的发展中具有极其重要的作用。在这个领域，碳基纳米材料的出现无疑带来了研究和应用的革命性变化。在这篇文章中，我们将对碳基纳米材料的多尺度设计和应用进行一些探讨。 一、什么是碳基纳米材料 碳基纳米材料可以被定义为具有至少一个尺度在纳米级别的碳材料。根据其制 备方法和性质，碳基纳米材料可以分为很多种类，如碳纳米管、石墨烯、碳球等。由于这些材料的尺寸和形态具有高度可控性，因此这些纳米级别的碳材料具有很多独特的物理和化学性质，这使得它们在许多领域中得到了广泛应用。 二、碳基纳米材料的多尺度设计 碳基纳米材料的多尺度设计是指通过对纳米材料的尺寸、形态、表面特性和内 部结构等多个层次进行精细的控制，进而实现对材料性质的精准调控。这种设计思路是在多年的研究和实践中逐步形成的，并已经得到了广泛的应用。 在碳基纳米材料的尺寸层次中，特别是在碳纳米管和石墨烯这些一维和二维结 构中，尺寸的准确控制对于调控材料性质非常重要。例如，通过控制碳纳米管的直径和壁厚，可以实现对其电、光、热等性质的调控。在碳基纳米材料的形态层次中，通过改变不同形态之间的纳米结构单元的排布方式，可以实现对材料性质的精细调控。例如，通过在石墨烯上制备不同形态的孔洞结构，可以实现对其存储和催化性能的优化。在碳基纳米材料的表面特性层次中，表面的化学成分、化学键的状态及表面修饰等，也可以对材料性质产生重要影响。例如，在石墨烯表面上引入不同种类的基团，可以实现对其电子输运性质的精细调控。在碳基纳米材料的内部结构层
一种植入玻璃表面的碳纳米管电极及其场发射性能研究 孙斌;陈冉;王艳;丁桂甫 【摘要】实现了一种通过水玻璃粘结剂将碳纳米管植入玻璃基底表面并呈现均匀"植布"效果的场发射电极.通过低温工艺固化碳纳米管形态,并保证高选择比的湿法刻蚀工艺,实现碳纳米管端部刻蚀露出作为场发射源,而根部植入水玻璃粘结介质中的分散植布效果.通过高温强化工艺,在碳纳米管与粘结剂结合界面形成1层稳定的-Si-O-薄膜,增加碳纳米管与阴极薄膜的结合力,提高其场发射性能.高温强化后电极开启电压由1.52 V/μm降至0.74 V/μm明显降低.同时,在外加场强2.3 V/μm时,可以得到大于233 μA的稳定场发射电流持续发射40 h.%A field emission electrode with carbon nanotube (CNT) homogeneously rooted in glass was achieved through sodium silicate (SS).CNTs homogeneously rooted in the SS paste were obtained by wet etching after solidification process under low temperature.By using high temperature retreatment, a firm-Si-O-film formed on the interface between CNT emitters and SS paste.The film adhesion enhanced and emission performance improved significantly.The turn on field significantly decreased from 1.52 to 0.74 V/μm after high temperature retreatment.For the treated emitter, with applied field of 2.3 V/μm, reliable operation for 40 h at a high emission current of more than 233 μA was also achieved 【期刊名称】《功能材料》 【年(卷),期】2017(048)003 【总页数】4页(P68-71)
碳纳米管弹性性能建模与仿真研究 碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是一种由碳元素按照特定 的晶体结构在纳米尺度下组成的管状物质，具有极强的强度和导 电性能，因此被广泛地用于纳米电子器件、材料增强和生物医学 等领域。其中，碳纳米管的弹性性能对其性能发挥及应用领域起 着至关重要的作用，因此针对其弹性性能进行建模和仿真研究具 有重要意义。 一、碳纳米管弹性性能及其应用 碳纳米管具有极高的强度和弹性模量等优异的机械性能，因此 已经被广泛地应用于传感器、纳米电子器件和材料增强等领域。 在这些领域中，碳纳米管的弹性性能是一个十分重要的参数，因 为它决定了碳纳米管在工作中所能承受的载荷和应力范围。同时，对碳纳米管弹性性能的研究可以从基本层面揭示这种新型纳米材 料的力学性质，从而在其应用中发挥更优越的性能。 二、碳纳米管弹性性能建模 为了更精确地描述碳纳米管的弹性性能，需要进行建模。目前，研究人员提出了多种建模方法，其中常见的是使用分子动力学模 拟和量子力学计算来对碳纳米管进行力学分析。一些理论模型也 被用于了解碳纳米管的弹性性质，例如模型对碳纳米管的机械破 坏和塑性形变等进行了理论分析。
三、碳纳米管弹性性能仿真研究 针对碳纳米管的弹性性能，还需要进行仿真研究以帮助理解其 力学行为。现在，许多研究人员使用分子动力学模拟和有限元分 析等方法来研究碳纳米管的弹性性能。在这些方法中，基于分子 动力学的方法常常能够获得高速度和大尺寸的计算效率，但是不 能处理太小的尺寸；而基于有限元分析的方法则可以处理更复杂 的几何形状和边界条件，但其准确性和计算效率不如基于分子动 力学的方法。因此，在实际研究中，两种方法常常被相结合使用。 四、结论 对碳纳米管弹性性能的建模和仿真研究，是研究碳纳米管材料 性能和应用的重要手段。研究人员在此方面一直在探索新的理论 和算法，以提高计算效率和准确性，并应用于纳米电子、材料科 学和生物医学等领域。碳纳米管弹性性能的研究不仅有助于开发 更高性能的材料和器件，还为解决一些相关问题提供了新的思路 和方法。
基于多壁碳纳米管场发射与吸附原理的压力传感技术研究康颂;董长昆;张纯 【摘要】设计了一种基于多壁碳纳米管(MWNT)场发射和气体吸附的压力传感器.通过热化学气相沉积法(CVD)在合金基底上直接制备具有强附着性能的MWNT薄膜,以MWNT薄膜为场发射阴极,利用气体吸附引发的场发射电流增强效应,测量环境压力.在实验室条件下分别测试了N2和大气成分下的气体压力传感性能,结果显示,MWNT阴极材料在两种气体环境中均存在小电流场发射随真空压力升高而增长的传感效应.基于该效应,设计了一种微型实用型压力传感器.该传感器具有量程宽(1×10-7～1×10-3 Pa)、体积小(4 mm×5 mm×9 mm)、功耗低(5×10-6～0.8 W)、无干扰、长寿命等优点.传感器封装在X光管中进行测试的结果表明,封装后X 光管内部真空度升高可达2个数量级,且X光管的真空度随放置时间的延长而变差,结果符合理论预期. 【期刊名称】《真空与低温》 【年(卷),期】2019(025)004 【总页数】6页(P237-242) 【关键词】多壁碳纳米管;化学气相沉积;吸附;场发射;气体压力传感;X射线管【作者】康颂;董长昆;张纯 【作者单位】温州大学微纳结构与光电器件研究所,浙江温州 325035;温州大学微纳结构与光电器件研究所,浙江温州 325035;温州市承泰电子有限公司,浙江温州325000
【正文语种】中文 【中图分类】TB383;O484 0 引言 真空计种类繁多，工作模式不尽相同[1-6] 。现代科学技术的发展，给常规的真空测量技术带来了一些新的挑战和要求，真空计的微型化和对器件进行原位实时监测是其中重要的发展方向。高真空和超高真空测量多采用电离真空计，而复杂的规管结构、灯丝热效应、体积偏大等因素限制了电离真空计在一些新型功能器件（X射线管、微波管等）、温度功耗敏感环境（航天）以及狭小空间内的应用。研制微型、易于集成的高真空和超高真空测量仪器具有重要的意义。 真空电子器件被广泛应用于卫星、通信、雷达、加速器等科技前沿领域。真空度直接影响器件的性能，因此，实时监测内部真空度非常必要。以微波管为例，其内部为高真空状态，虽然微波管在封装前经过了充分的除气，且部分管内还配备有吸气剂[7] 或吸气钛泵[8] ，但是在长期的储存和使用过程中，材料、焊缝缓慢放气或 微漏气的情况时常出现。在这些气体无法或来不及被排除时，会造成微波管的输出频谱出现较大的噪声[9] 。为测量封闭器件内的真空度，对空间行波管而言，可以利用行波管内的阴极、管体、收集极的三电极方法[10] ，但这种方法只能粗略的 测量真空度。另外，也可以外接一个冷阴极真空规对空间行波管真空度进行测量，但冷阴极规不能经受高温烘烤，且价格昂贵、体积大，不利于器件的小型化和低功耗。还可以在器件上安装热阴极电离规管，但热电离真空规带来的放气会影响测试结果及器件性能。目前对微型真空电子器件，没有一种可靠的方法来测量封离后器件内部的真空度，开发一种可以测量密闭器件内部真空度的压力传感器具有重要意义。
双极性碳纳米管薄膜晶体管构建及电性能研究 许威威;徐文亚;张祥;金晶;赵建文;崔铮 【摘要】本文用聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(1,4-苯并2,1-3噻二唑)](PFO-BT)分离的半导体碳纳米管作为有源层,通过气溶胶喷墨打印技术在刚性基体上构建出底栅结构的碳纳米管薄膜晶体管器件.用钛酸钡复合材料封装后,碳纳米管薄膜晶体管表现出很好的双极性、较高的开关比和零回滞特性,同时阈值电压能够控制在0V 附近.通过两个双极性薄膜晶体管连接而成的反相器表现出零回滞、高电压增益(Vdd =1.5 V时,其增益可达到35)和大噪声容限(Vdd=1 V时,最大噪声容限为 0.44 V). 【期刊名称】《影像科学与光化学》 【年(卷),期】2016(034)002 【总页数】7页(P152-158) 【关键词】印刷电子;聚合物;半导体碳纳米管;薄膜晶体管;双极性;封装 【作者】许威威;徐文亚;张祥;金晶;赵建文;崔铮 【作者单位】上海大学材料科学与工程学院,上海200444;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子研究中心,江苏苏州215123;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子研究中心,江苏苏州215123;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子研究中心,江苏苏州215123;上海大学材料科学与工程学院,上海200444;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子研究中心,江苏苏州215123;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子研究中心,江苏苏州215123
【正文语种】中文 由于印刷电子在电子纸[1]、射频识别标签[2-4]、逻辑门和电路[5-8]、信息显示[9-11]和传感器[12-14]等方面的潜在应用，近几年它受到了极大的关注。通过印 刷电子技术，这些器件都可以实现大面积、柔性化和低成本制备。印刷薄膜晶体管是印刷电子的核心元器件之一，其性能主要取决于沟道中的半导体材料。单壁碳纳米管拥有极好的电学、力学和化学性质，加上碳纳米管容易墨水化，后处理温度不高，因此半导体碳纳米管是构建印刷薄膜晶体管最理想的材料之一。目前碳纳米管已广泛应用于构建各种电子器件，如：薄膜晶体管、传感器、光电开关和太阳能电池等。商业化的单壁碳纳米管中三分之一是金属型碳纳米管，三分之二是半导体型碳纳米管。如果直接用商业化的碳纳米管来构建薄膜晶体管器件，其器件往往表现出低的开关比或者沟道直接导通。由于单壁碳纳米管中碳原子以sp2杂化成键后，剩余的p轨道形成离域大键, 这种特殊的价键结构使单壁碳纳米管与许多分子都有很强的非共价相互作用力。不同的分子与单壁碳纳米管的相互作用力类型不同，如共轭半导体聚合物与碳纳米管之间主要通过强的π-π相互作用。通过改变共轭聚 合物的取代基和共轭单元的大小可以实现对半导体单壁碳纳米管的管径和手性分离。用聚合物分离的半导体碳纳米管可直接构建出性能优越的薄膜晶体管器件,因此聚 合物包覆是目前分离半导体碳纳米管最有效的方法之一。碳纳米管薄膜晶体管，尤其是溶液法构建的薄膜晶体管容易受空气中的水氧以及其他杂质的影响，使得碳纳米管薄膜晶体管往往表现出较大的回滞。器件的回滞对器件的可靠性和逻辑电路的性能都有很大影响。如何消除或减小器件的回滞是印刷碳纳米管薄膜晶体管领域的一个研究重点。 本文利用聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(1，4-苯并2,1,-3噻二唑)](PFO-BT)从 商业化碳纳米管(P2)中选择性分离出半导体碳纳米管，通过打印的方法制备了碳纳米管薄膜晶体管。研究了钛酸钡复合材料对印刷薄膜晶体管器件性能的影响，得到
不同强酸氧化对碳纳米管场发射特性的影响 叶芸;游玉香;汤巧治;郭太良 【摘要】研究了强HNO3和HNO3-H2SO4氧化对碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)场发射特性的影响,采用TEM、Raman、XPS和J-E进行了表征.实验结果表明,HNO3和HNO3-H2SO4可去除碳纳米管中的催化剂颗粒、无定形碳及碳纳米微粒等杂质;由于H2SO4具有协同氧化和脱水作用,使得混酸氧化后的碳纳米管具有更高的无序程度和缺陷密度,且表面存在C-OH,CO,COOH等氧化基团.HNO3和HNO3-H2SO4氧化碳纳米管的开启电场分别为1.7和1.1V/μm,当电场增大至3.0V/μm的电场下对应的发射电流密度分别为1.8和4.2mA/cm2.【期刊名称】《功能材料》 【年(卷),期】2010(041)009 【总页数】4页(P1529-1531,1535) 【关键词】碳纳米管;场发射;氧化;XPS 【作者】叶芸;游玉香;汤巧治;郭太良 【作者单位】福州大学,物理与信息工程学院,福建,福州,350002;福州大学,物理与信息工程学院,福建,福州,350002;福州大学,物理与信息工程学院,福建,福州,350002;福州大学,物理与信息工程学院,福建,福州,350002 【正文语种】中文 【中图分类】TQ342.712
碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)自1991年由日本科学家 Iijima发现以来[1],以其大的长径比和高的机械强度成为极具应用潜力的一维纳米材料,广泛应用于纳米电子器件、电化学材料、催化剂载体及场发射器件等[2-4]。 人们对碳纳米管的合成方法、结构与性能等方面的研究已经获得了大量的成果[5,6]。然而采用电弧法和有机气体催化裂解法等制备的碳纳米管,含有一些催化剂颗粒、无定形碳及碳纳米微粒等杂质,给碳纳米管的深入研究和应用带来了极大的不便,因此,碳纳米管的提纯是十分必要的。目前,碳纳米管的纯化方法主要有气相氧化法和液相氧化法[7]。C.Sekar和C. Subramanian等研究表明在725℃的流动氧气气氛下,碳纳米管中的碳微粒等杂质可以被完全氧化[8]。孙晓刚等人则发现经440℃空气氧化化学气相沉积的多壁碳纳米管约3h,就可去除掉90%的碳颗粒杂质[9]。气相法氧化碳纳米管的设备复杂,工艺条件苛刻。然而液相氧化法采用强氧化酸除去碳纳米管中的催化剂金属颗粒及碳杂质等,具有条件温和、易于控制、适宜大批量处理等一系列优点。目前用强酸 HNO3氧化碳纳米管报道较多[10,11],而采用混酸 HNO3-H2SO4氧化碳纳米管的报道较少。强酸不仅可以对碳纳米管进行提纯,除掉残留的金属颗粒和无定形碳等杂质,而且还能改变碳纳米管的形貌结构,同时在表面引入一些极性官能团。本文分别采用 HNO3和 HNO3-H2SO4氧化碳纳米管,利用透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)表征了氧化后碳纳米管的物理及化学结构,讨论了不同强酸氧化碳纳米管的场发射特性。 采用购自深圳纳米港管径为10nm、纯度为90%的碳纳米管,称取1g碳纳米管原始粉末,分别放入500 mL的纯浓 HNO3与 V(浓HNO3)∶V(浓H2SO4)=1∶1的混酸溶液中,并水浴加热至90℃,中速搅拌,氧化时间为3h。待氧化结束后自然冷却,然后用去离子水对氧化后的碳纳米管进行超声清洗,并反复漂洗抽滤至p H值为中性。最后将抽滤的碳纳米管缓慢加热至80℃热处理1h后,获得 HNO3氧化和
碳纳米管基薄膜材料报告 引言： 碳纳米管是典型的一维纳米材料，自1991年被发现以来，由于其优异的力学性能、电学特性、极高的热导率、良好的热稳定性和化学稳定性等特点，都使其在纳米结构及功能复合材料、场效应晶体管、透明电极、锂离子电池、超级电容器等诸多领域中具有广阔的应用前景，受到人们的广泛关注。其具有特异的物理和化学性能，是由石墨层片卷曲后形成的无缝管，在范德华力作用下可形成2 种不同的晶体结构：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研究表明，只有将碳纳米管组装成宏观材料，如薄膜，才能充分发挥碳纳米管的优越性能，实现其潜在应用。因此，如何连续制备碳纳米管薄膜并保持单根碳纳米管的优良性能就成为了科学界和产业界人士的共同梦想。 单壁碳纳米管多壁碳纳米管 一、制备方法 碳纳米管可以通过电弧法、化学气相沉积法和激光烧蚀法等方法直接在各种衬底上生长。在实际应用上，需将碳纳米管在低温情况下沉积到诸如ITO玻璃、柔性透明薄膜上以实现大面积制备。这种需求可以通过溶液法将碳纳米管沉积到衬底上来实现场致电子发射的冷阴极也可以通过溶液法制备。但碳纳米管和衬底间的附着力较差，
从而成为阻碍溶液法制备均匀碳纳米管薄膜的一个关键问题。为了克服此缺陷，在沉积碳纳米管之前，需要在衬底上覆盖一层缓冲层来提高碳纳米管与衬底之间的粘附性。 目前制备碳纳米管薄膜的方法有很多，主要有：化学气相沉积法、电泳沉积法、电弧放电法、浇铸法、层-层吸附自组装法、电化学沉积法、自组装成膜法、浸渍涂布法、改性表面吸附法、过滤-转移法和LB技术等方法。 但是这些方法在制备过程中需要高温作用、表面活性剂、催化剂，设备昂贵，制备过程较为复杂。所以本文主要介绍一种由喷涂和旋涂相结合的方法，在优化工艺参数的条件下，可以制备出透明导电碳纳米管薄膜，成本低廉，制备工艺简洁，为其在场发射器件、透明导电薄膜、电磁屏蔽材料等方面的应用提供了有效的理论依据。 1.碳纳米管溶液的制备 取20mg碳纳米管，溶于100 mL无水乙醇中，在室温下，置于超声波清洗器中（通冷却循环水）分散24 h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，分别配置成不同浓度（0.008、0.010、0.012、0.014mg/mL）的碳纳米管溶液，待用。 2.碳纳米管薄膜的制备 用去离子水、丙酮（分析纯）、无水乙醇（分析纯）依次清洗石英基片，然后在真空干燥箱中烘干备用；用手持式喷雾器将碳纳米管分散液喷洒在石英玻璃衬底上（或采用匀胶机对其进行旋涂），待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二层喷涂（或旋涂），如此反复多次，得到不同厚度的碳纳米管薄膜。 3.碳纳米管薄膜的表征 碳纳米管的透射电镜测试：JEM-2010 F型高分辨率透射电子显微镜. 薄膜的导电性能测试：RTS-8型四探针电阻测试仪. 薄膜的透光率测试：UV-2550型紫外可见分光光度计. 二、实验原理 旋转涂膜是在衬底旋转时利用离心力的作用成膜的。影响薄膜性能的溶液性 质主要是流变性能和表面张力，如溶液的粘度、浓度、触变性和表面张力等。影响薄膜厚度的因素也比较复杂。Emslie, Bonner和Peer等人认为，在简化条件后，薄膜厚度h和旋转时间t存在如下关系：
2022—2023学年度下期初2022级半期考试 数学试卷 考试时间：120分钟满分：150分 A卷（共100分） 一、选择题（每小题4分，共32分） 1．下列运算正确的是（） A．a2+2a2＝3a4B．（2a2）3＝8a6 C．a3•a2＝a6D．（a﹣b）2＝a2﹣b2 2．碳纳米管是一种一维量子材料，与传统金属、高分子材料相比，碳纳米管的电、热力学性能优异，凭借突出性能，碳纳米管逐渐成为场发射电子源中最常用的纳米材料，我国已具备研制直径为 0.0000000049米的碳纳米管．数据0.0000000049用科学记数法表示为（） A．0.49×10﹣9B．4.9×10﹣9C．0.49×10﹣8D．4.9×10﹣10 3．如图，是利用割补法求图形面积的示意图，下列公式中与之相对应的是（） A．（a+b）2＝a2+2ab+b2B．（a﹣b）2＝a2﹣2ab+b2 C．（a+b）（a﹣b）＝a2﹣b2D．（ab）2＝a2b2 4．有两根13cm，15cm的木棒，要想以这两根木棒做一个三角形，可以选用第三根木棒的长为（）A．30cm B．28cm C．11cm D．2cm 5．一杆古秤在称物时的状态如图所示，已知∠1＝80°，则∠2＝（） A．20° B．80° C．100° D．120° 6．在Rt△ABC中，∠C＝90°，若∠A＝50°，则∠B等于（） A．55°B．50°C．45°D．40° 5题图7．学校组织部分师生去烈士陵园参加“不忘初心，牢记使命”主题教育活动．师生队伍从学校出发，匀速行走30分钟到达烈士陵园，用1小时在烈士陵园进行了祭扫和参观学习等活动，之后队伍按原路匀速步行45分钟返校．设师生队伍离学校的距离为y米，离校的时间为x分钟，则下列图象能大致反映y与x 关系的是（） A．B．C．D．