带有石墨烯电子传输层的复式微结构大电流电子源研究

高频大功率微波器件的小型化需采用冷阴极发射的电子源。在研的一些纳米材料冷阴极电子源发射总电流及电流密度仍然较小，不能满足大电流的需求。为进一步增强电子发射性能，降低场屏蔽效应，提高发射电流和密度，本项目创新性提出带有石墨烯电子传输层的碳纳米管/纳米氧化锌复合式微结构电子源，利用石墨烯的高电子传输特性获得低开启电场发射电子注入，并提高电子源的整体发射均匀性；通过碳纳米管阵列作为发射体的基底材料，并制备微结构形貌，降低场屏蔽效应；利用纳米氧化锌在碳纳米管顶端进行微观修饰，增加电子发射点数量并提高发射体场增强因子，最终实现大电流发射。本项目的核心研究内容包括：1). 石墨烯电子传输层在复式阴极中的电子输运机理及实验研究；2).采用碳纳米管/纳米氧化锌复式微结构，降低场屏蔽效应，增强阴极场致发射能力3). 大电流发射跌落和阴极老化机理的理论与实验分析。

本项目提出增加电子传输层，并通过实现制备过程中优化材料生长的微结构来改善纳米材料冷阴极场发射特性的方法。在系统的、深刻认识纳米材料制备工艺与生长机制的基础上，控制其形貌、生长密度等参数，实现氧化锌/碳纳米管、石墨烯/氧化锌、碳纳米管/纤维等多种复式结构及其微形貌。实验结果表明各种复式微结构纳米材料较单一的场发射体具有更为优异的场发射性能：电子传输层的存在利于电子在场发射前基底间的传输能力，降低界面间的电压降；复式微结构的提出与制备，利于表面电场屏蔽效应的降低，在有限的发射面积内，增多发射点数目，提升纳米材料阴极的整体发射性能。分别通过直流场发射测试与微波场发射测试，论证带电子传输层复式结构阴极的电子源发射能力：直流下获得最大发射电流达30mA，电流输出功率达200W；微波场下获得最大发射电流50mA，电子束输出呈高斯分布，电流密度达到4.3A/cm2；达到的微波电子器件对冷阴极电子源的电流需求。通过对石墨烯电子传输层的电子输运机理的计算，理论上分析了电子传输层的存在对材料场发射特性的改进；通过对复式微结构下电场分布的建模，模拟了微结构下对材料发射性能的改善;分别通过等离子观测、残余气体分析及计算，对纳米材料阴极的大电流发射下电流跌落机制进行解释。