石墨烯场发射.docxVIP

一、石墨烯场发射研究进展近年来，随着对石墨烯场发射性能的研究，针对石墨烯场发射的理论模型也相应建立起来。Xiao等在研究单层石墨烯的场发射性能时指出石墨烯的场发射方程如下：ln(I/Eσ) ~ 1/Eβ 式中I表示发射电流线电流密度，E表示外加电场，α、β是与电场强度相关的指数。对于高场区域（α，β）为（3/2，1），低场区域为（3，2），这与传统的F-N方程有所不同。（Xiao Z, She J, Deng S, et al. Field electron emission characteristics and physical mechanism of individual single-layer graphene[J]. ACS nano, 2010, 4(11): 6332-6336.）Mao在研究镜像势对石墨烯纳米条带的场发射性能的有限尺寸效应时，发现当二维石墨烯变成纳米条带时，其狄拉克点附近的能级分裂为子带结构。石墨烯纳米条带的能带间隙张开并且随着纳米条带宽度的增大而增大，这种现象在纳米条带为几纳米时较为明显，这也导致了石墨烯场发射电流密度在外场下随纳米条带宽度的减小而减小。此外镜像势对石墨烯场发射电流密度的影响随温度的降低而减小。（Mao L F. A theoretical analysis of field emission from graphene nanoribbons[J]. Carbon, 2011, 49(8): 2709-2714.）Liang等指出目前开展的石墨烯场发射研究工作视石墨烯为块体材料，仍以块体材料的场发射判断标准F-N方程为依据。对此他们建立新模型研究垂直取向的单层石墨烯的场发射性能，该模型认为石墨烯中的电子发射经过如下三个步骤：（1）电子在石墨烯中传输，需穿过内部随时间振动的势垒；（2）在内部随时间振动的势垒与外部势垒之间进行弹道输运；（3）克服静电势垒发射到真空中。研究发现垂直取向的单层石墨烯的边带电子发射只与内部随时间振动的势垒的振幅和频率有关，外加直流电场的作用可以忽略。（Liang S J, Sun S, Ang L K. Over-barrier side-band electron emission from graphene with a time-oscillating potential[J]. Carbon, 2013, 61: 294-298.）Sun等考虑到石墨烯中的电子具有相对论粒子特性以及Klein隧穿效应，研究了具备线性色散关系的低能电子的发射。研究发现在几何场增强因子相同的条件下，文中所建模型的发射电流比传统的F-N模型的更高。（Sun S, Ang L K, Shiffler D, et al. Klein tunnelling model of low energy electron field emission from single-layer graphene sheet[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(1): 013112.）石墨烯场发射主要有三种类型1、单纯石墨烯阴极场发射Zhang等在硅衬底上制备出垂直取向的石墨烯场发射阴极，其层数从底部（8~10层）到顶端（2~4）逐渐减少，其最佳开启电场为1.8V/μm，发射电流波动为3.7%，结果显示该石墨烯场发射阴极具备良好的场发射稳定性。图一样品SEM照片和场发射曲线（Zhang Y, Du J, Tang S, et al. Optimize the field emission character of a vertical few-layer graphene sheet by manipulating the morphology[J]. Nanotechnology, 2012, 23(1): 015202.）Wu等采用电泳法制备出厚度均匀、密度高的均匀单层石墨烯薄膜并研究了其场发射性质。他们发现石墨烯薄膜（层数≤３层）具备大量垂直于薄膜表面的边沿，这些边沿可视为有效场发射微尖，研究显示其开启电场为2.3V/μm，阈值电场为5.2V/μm，具备优异的场发射稳定性。（Wu Z S, Pei S, Ren W, et al. Field emission of single‐layer graphene films prepared by electrophoretic deposition[J]. Advanced Materials, 2009, 21(17): 1756-1760.）2、石墨烯基复合材料场发射阴极（1）掺杂；Chen等研究了表面修饰Au纳米颗粒的石墨烯基场发射阴极的发射性能。他们发现Au纳米颗粒的修饰不仅提高了石