石墨烯/碳纳米管/非晶碳基跨尺度界面构筑及其场发射性能研究

场致发射冷阴极材料作为真空微电子器件电子发射源的关键和核心，发展长寿命、高性能和高稳定性场发射冷阴极材料则是真空微电子学研究的重点和热点之一。基于层状结构复合以及薄膜构筑技术复合的设计理念，兼顾"非晶碳膜低电子亲合势和高机械强度+碳纳米管高场增强因子+石墨烯超高电导率"协同效应及碳基低维材料多尺度可剪裁性，采用磁控溅射、等离子体增强CVD以及电弧放电系统（或电沉积和自组装技术）复合沉积技术，重点突破跨尺度多界面石墨烯-碳纳米管-非晶碳基冷阴极复合体系的可控构筑，设计制备出高效、长寿命和高稳定性的新型碳基冷阴极复合体系。阐明碳基不同组元性能协同性和跨尺度界面结构增强效应与场发射性能之间物理关系，揭示跨尺度界面调控如何影响器件宏观行为，深层次诠释跨尺度界面结构与电子输运、场致电子发射机制及电流衰减规律。为高性能碳基冷阴极复合材料的设计和可控制备提供了新途径。

场发射电子源材料是场发射平面显示发展面临的技术难题之一,低维碳基纳米材料（石墨烯、碳纳米管及非晶碳膜）有望作为新型场发射冷阴极材料，来取代传统金属场致发射体，适应现代真空微电子器件高性能化、大面积化、高集成化、低能耗、高稳定性等方面的发展需求。本课题基于层状结构复合以及薄膜构筑技术复合设计理念，充分利用“非晶碳膜低电子亲和势和高机械强度+碳纳米管高场增强因子+石墨烯超高电导率”协同效应及碳基低维材料多尺度可剪裁性，采用磁控溅射、等离子体增强CVD以及电弧放电系统（或电沉积和自组装技术）复合沉积技术，制备了具有良好场发射性能的ZnO/DLC、BN/DLC复合薄膜，石墨烯及石墨烯/碳纳米管复合薄膜等薄膜体系。研究发现，通过在非晶碳基质中引入半导体纳米材料，可有效调控非晶碳基质中带隙态发射和热电子发射的协同过程，使得非晶碳场发射性能得到提升; 石墨烯/非晶碳复合薄膜表现出较高的场发射电流强度，主要归功于石墨烯与碳纳米管二者之间良好的欧姆接触以及石墨烯本身特殊形貌及其很大的载流子迁移率；石墨烯/碳纳米管复合体系均呈现电子发射滞后现象，其发射性能与复合薄膜表面吸附气体分子有关，通过去极化电场模型进一步讨论了复合体系场发射滞后现象的内在原因。本课题研究过程中重点解决了高性能石墨烯的制备、石墨烯与碳纳米管、石墨烯与非晶碳、层状石墨烯/碳纳米管等低维碳纳米复合体系的构筑技术，初步揭示了低维碳纳米复合体系结构与其场发射性能之间构效关系，发现了气氛环境下石墨烯/碳纳米管场发射行为的滞后规律，阐述了低维碳纳米材料场发射滞后机理，为真空微电子器件电子发射源的组装及相应场发射问题提供了必要的科学基础与技术途径。