石墨烯定向可控生长、场发射电子相干性及机理探索

直立型石墨烯可能是一种优秀的相干电子源材料。首先，石墨烯具有弹道电子输运的物理特性，其次，石墨烯的场发射性能稳定，且具有线型发射端面，符合电子相干性的基本要求，并具有高电流、高亮度和大视场的优点。石墨烯相干电子源应用于电子全息、电子显微等领域可以解决缺乏高质量相干电子源的现状。本项目将通过研究石墨烯的场发射电子相干特性，验证其作为场发射相干电子源的可行性。首先采用微波等离子体化学气相沉积方法可控制备直立型石墨烯，并采用微探针原位测试方法分析适合于作为相干电子源的石墨烯的最佳形貌结构及其对应的场发射特性，进而采用场发射显微镜和能谱分析仪，探索石墨烯的场发射电子相干性，并研究其相干机理。本研究对深入认识以石墨烯为代表的二维纳米材料体系的场发射机制，开拓石墨烯在真空相干电子源领域的应用具有前瞻意义。

本项目采用微波等离子体化学气相沉积方法成功制备了直立型少层石墨烯，采用等离子体鞘层电场理论解释了直立石墨烯的生长机理，并在实验上验证了正确性，实现了直立石墨烯的生长方向可控性。这对直立石墨烯的可控生长具有积极的指导意义。. 直立石墨烯具有原子级别厚度的发射尖端和二维散热面积，我们测得了其优异的场发射特性，开启电压低至1.8 V/um，最大电流32.3mA，最大电流密度达到164 mA/cm2，具有稳定的场发射电流，电流抖动小于3.7%。在评述文章“20 things you can do with graphene”中，将本研究工作列为石墨烯的20个潜在应用之一，认为我们制备的直立少层石墨烯在高功率真空电子器件具有应用潜力。. 我们采用场发射显微镜联用扫描电子显微镜技术研究了单片石墨烯的场发射相干性条纹，验证了石墨烯是场发射相干电子源。我们发现了场发射相干条纹的变化规律，定性解释了石墨烯的场发射相干性机理，认为石墨烯边缘的电子态分布是决定相干条纹特征的根本原因。本工作加深了对石墨烯的场发射机理的认识，并为石墨烯场发射相干电子源提供了实验证据和理论解释。