石墨烯冷阴极大电流场发射损伤机制的微观原位研究

Cold cathode material with high current and current density is essential for high performance vacuum electronic device. The poor character in high current and stability of cold cathode material hampers the development of vacuum electronic device. Graphene has atomic sharp emitting edge and 2D plane area, excellent electric and thermal conductivity, and is considered as a kind of high current field emission material. In this project, we focus on the high current field emission characterization and the related breakdown mechanism of graphene cold cathode. We will combined the HRTEM characterization with the field emission nano-probe techniques to in-situ investigate the structure and morphology development of graphene during the high current field emission in nano scale. We will discuss two breakdown mechanisms which origins from high electric field stretching and Joule heating, clarify the critical condition for each breakdown mechanism and create the breakdown model of graphene during field emission. This work would provide a way to understand the breakdown phenomena in a direct view and demonstrate the possibility to realize a high performance field emission cold cathode.

发展高性能真空电子器件要求具有发射大电流和高电流密度的冷阴极材料。冷阴极材料的电子发射能力是制约真空电子器件性能的关键因素。现阶段，大电流冷阴极材料的性能和稳定性是制约真空电子器件发展的瓶颈。石墨烯由于具有原子级别的发射尖端，优异的导电导热能力和二维散热平面，是具有较大潜力的大电流场发射材料。本项目将重点研究大电流发射过程中石墨烯的发射稳定性和大电流损伤机制。拟采用透射电子显微镜表征技术结合原位场发射纳米探针的测试技术，从原子尺度观察和研究石墨烯材料的结构和形貌在强电场大电流发射环境下的变化情况。其中，重点讨论石墨烯在强场导致的结构拉伸与焦耳热导致的断裂的两种损伤机制，判定出现不同损伤机制的临界条件，建立二维原子晶体材料石墨烯损伤机制的模型，为实现高性能高稳定性的石墨烯大电流冷阴极提供理论指导和可行性保证。

高性能真空电子器件需求大电流高电流密度的场发射冷阴极，现阶段，冷阴极材料的大电流场发射特性和稳定性是制约其在真空电子器件应用的瓶颈。本项目以石墨烯冷阴极为研究对象，采用透射电子显微镜表征技术结合原位场发射纳米探针的测试手段，从原子尺度观察石墨烯材料的结构和形貌在强电场大电流发射环境下的演化过程，从机理上研究石墨烯冷阴极的大电流场发射损伤机制。研究表明，第一，大电流场发射的焦耳热效应导致石墨烯表面缺陷和不完整石墨烯结构产生孔洞演化过程，可产生孔洞破损和孔洞自修复两种过程。适当控制电流值，可使石墨烯表面结构自优化从而提高场发射发射能力和稳定性。第二，强电场力可以导致石墨烯的形状和结构产生拉伸、层间滑移和撕裂等破损作用。场发射所施加的电场应控制在破损电场值以下，以避免结构损伤并保持场发射稳定性。基于对损伤机制的理解，发展了一种石墨烯冷阴极的场发射后处理工艺，提高了场发射稳定性和场发射特性。单片石墨烯冷阴极的发射电流最大值达到233 μA，对应的电流密度达到5.85E8 A/cm2，指标达到纳米冷阴极的本领域先进水平。本研究工作通过实时原位的图像数据清晰解释石墨烯冷阴极在大电流场发射过程中的结构演化机制，为理解石墨烯冷阴极的大电流场发射破损机制提供了强有力的支撑。同时，实现了石墨烯冷阴极的大电流场发射特性和稳定性，对推进石墨烯冷阴极在真空电子器件的应用具有重要的技术价值。