3D碳纳米管薄膜冷阴极的制备及其强流脉冲发射特性研究

本项目以立体微结构表面上碳纳米管薄膜（简称3D-CNT薄膜）的生长及其强流脉冲发射特性为研究对象，通过在生长基底表面引入立体微结构来增加单位基底面积上的碳纳米管薄膜生长面积，并抑制电场屏蔽效应，使3D-CNT薄膜冷阴极在强流脉冲发生条件下获得更大的电流发射能力。同时，通过使用不同的金属功能层衬底来调制CNT与电极层之间的接触状态及电学热学性能，从而使所制备的3D-CNT冷阴极具备更好的发射稳定性。在此基础上，通过综合考虑电场模拟、数值分析、微观分析、发射特性测试等研究结果，建立3D-CNT薄膜发射电流与稳定性等特性与立体微结构几何参数、接触界面物理与化学参量、3D-CNT薄膜生长状态等参量间的多参量耦合模型，以实现3D-CNT薄膜冷阴极设计制作的可控性和应用性能的可预知性。本项目研究内容对于高功率微波技术和加速器技术等应用领域具有重要参考价值。

针对高生长密度碳纳米管薄膜在场发射过程中存在的电场屏蔽效应问题和冷阴极的发射稳定性及使用寿命问题，本项目主要研究了冷阴极表面3D微结构阵列对屏蔽效应的抑制作用和金属功能层对发射稳定性和寿命的改进作用，重点研究了新型3D碳纳米管薄膜（简称3D-CNT 薄膜）冷阴极的制备工艺及其强流脉冲发射特性。冷阴极制备方面，通过采用干法和湿法刻蚀工艺，以单晶硅为基底制备了各8种几何参数的微结构基底；通过采用化学镀的方法，制备了镍、镍金、铜、镍铜等四种金属功能层；以酞菁铁为碳源，在裸硅、带镀层硅及多种块体金属等多种基底上实现了CNT薄膜的生长；以甲烷为碳源，化学镀层为催化剂，在硅基底上实现了CNT薄膜的生长。强流脉冲发射特性研究方面，通过比较在裸硅基底上和在不同金属功能层基底上生长的CNT薄膜的强流脉冲发射特性明确了金属功能层对于提高冷阴极电流发射能力和发射稳定性及寿命特性的重要作用；通过比较平面型和3D型冷阴极的电流发射能力明确了微结构对于提高冷阴极电流发射能力有明显效果；通过比较不同的微结构阵列的几何参数和几何形态对发射特性的影响给出了冷阴极性能优化的方向；通过比较不同基底材质对于冷阴极强流脉冲发射特性的影响给出冷阴极制造中的选材指导；通过模拟3D冷阴极电场分布为冷阴极结构参数进一步优化提供了依据。冷阴极性能方面，在强流脉冲发射条件下，硅基底镍镀层3D冷阴极最大峰值发射电流及等效电流密度分别达到了19.9KA和1.66KA/cm2,金属铜基平面型冷阴极最大峰值发射电流及等效电流密度分别达到了23.5KA和0.83KA/cm2,显著高于已有文献报道；冷阴极经多次短脉冲重频发射后性能无明显衰减，长脉冲发射中镍金缓冲层可以使最大程度延缓发射能力的衰减。在全面完成研究计划的基础上，本项目在下列方面取得了重要进展：采用无催化剂的化学气相沉积实现了宏观长度的微米碳管的可控制备，其直径在亚微米到微米量级，长度在mm到大于10cm量级，长度随直径减小而增加，在实验中得到了其无催化剂生长的部分机理；实现了工业铜基底上优质石墨烯薄膜的制备，并发现石墨烯薄膜的存在使得工业铜具有良好的抗氧化能力；研究了基于CNT冷阴极的场发射显示器制造技术，提出了一种新型封装结构的场发射显示器及其制造工艺，并就低成本CNT-FED制造技术进行了大量探索。本项目研究内容可应用于高功率微波器件、直线加速器、X射线管等涉及高