傳統(tǒng)的光陰極材料一般為堿金屬（合金）以及具有負電子親和勢的III-V族半導(dǎo)體,主要的特點是量子效率較高,但是對使用環(huán)境要求很嚴苛。與傳統(tǒng)光陰極材料相比,一維的納米材料碳納米管雖然在穩(wěn)定性、制備及保存成本、使用壽命等方面具有一定的優(yōu)勢,但是也存在一個很大的問題就是量子效率較低,碳納米管的優(yōu)越性能仍然沒有完全釋放出來。本文分析了基于碳納米管的光電發(fā)射電子源的特征,針對當前其量子效率與實用化指標差距較大的瓶頸問題,提出兩種方法以提升其量子效率:圖案化處理的方法以充分增強邊緣效應(yīng);利用金納米顆粒修飾碳納米管表面,借助等離激元共振效應(yīng)來實現(xiàn)增強的光吸收和局域電場增強。本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:（1）利用紫外光刻工藝以及化學氣相沉積的方法制備完成20μm×20μm的正方形陣列碳納米管,并且搭建了高真空光電測試平臺。在800 nm飛秒脈沖激光的激勵下測試光電發(fā)射性能,測試結(jié)果表明圖案化處理后碳納米管光陰極的量子效率從1.23×10^-5提升到4.51×10^-5,分析其光電發(fā)射機制為光致場發(fā)射。并且制備了不同占空比的碳納米管陣列陰極,測試表明圖案化處理均可... 

【文章來源】：東南大學江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

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垂直碳納米管陣列的光輔助電子發(fā)射研究

東南大學碩士學位論文4圖1-2碳納米管光電發(fā)射性能測試：（a）激光功率與光電流關(guān)系曲線；（b）場發(fā)射擬合曲線但是，目前在利用一維碳納米管材料作為光電發(fā)射載體的研究中，由于碳納米管功函數(shù)較高（約5.0eV），除深紫外或紫外光波段激發(fā)外，其他較長波長光的激發(fā)下，電子發(fā)射的效率雖然比金屬材料陰極高2-3個數(shù)量級（約10-6），但仍難以達到實用化要求；而以紅光附近的長波長激光進行照射時，溫度升高引起的熱發(fā)射為電子發(fā)射的主導(dǎo)機制，熱發(fā)射的電子束能散較大且響應(yīng)時間較長，不利于高重頻、高功率的電子束應(yīng)用[29]。因此，想要將碳納米管應(yīng)用到超短脈沖激光激發(fā)的高重頻、高功率光電陰極中，其量子效率還需要進一步的提升。1.3碳納米管的物理特性與制備1991年日本NEC公司的S.Iijima用高分辨透射電鏡觀察石墨電極放電制備球狀碳分子產(chǎn)物時，意外地發(fā)現(xiàn)了多壁碳納米管（如圖1-3（a）所示）[30]。1993年，S.Iijima分別采用了Fe和Co作為催化劑摻雜在石墨電極中進行弧光放電[31]，宣布發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管（如圖1-3（b）所示）。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成單層到數(shù)十層的同軸圓管[32]，即由碳原子形成的二維單層石墨烯片層卷曲而成的無縫、中空的圓柱狀管體，層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，管直徑一般約2nm-20nm，長度一般可達到微米甚至毫米量級[33]。由于碳納米管具有較大的長徑比，所以可以把其看成準一維納米材料[34]。碳納米管作為一種穩(wěn)定的準一維納米導(dǎo)電材料，該結(jié)構(gòu)主要由C-C的sp2雜化所決定[35]，根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成扶手椅型、鋸齒形和手性型三種，其中扶手椅型和鋸齒型均為非手性型（對稱型）碳納米管[32]。按照碳納米管的導(dǎo)電性能，可分為導(dǎo)體性管（即金屬性管）和半導(dǎo)

第一章緒論5納米管的直徑和螺旋角[36]。對于半導(dǎo)體單壁碳納米管，其帶隙寬度與其直徑成反比關(guān)系，且碳納米管中的結(jié)構(gòu)缺陷可以改變碳納米管的電學性能[37]。圖1-3碳納米管結(jié)構(gòu)圖：（a）單壁碳納米管；（b）多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)示意圖這種獨特的結(jié)構(gòu)使得碳納米管具有獨特的性質(zhì)：化學和電學特性極為穩(wěn)定，機械強度高（單壁碳納米管的楊氏模量可達到1TPa以上），是良好的熱導(dǎo)體且熱穩(wěn)定性好（軸向?qū)嵯禂?shù)高達6600W/(m·K)），對光波的吸收率高，是一種探索基本一維電子輸運現(xiàn)象的理想材料[38]。在各種可能的應(yīng)用中，最重要、最吸引人的是其作為電子器件。碳納米管獨特的結(jié)構(gòu)大大降低了載流子輸運過程中遇到的散射，因此具有超高的載流子遷移率和超長的平均自由程，這將令碳納米管器件在速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢。目前，主流的碳納米管的制備方法有三種：電弧放電法[39]、激光蒸發(fā)法[40]和化學氣相沉積法[41]。最早被科學家用來制備碳納米管的方法是電弧放電法[39]，電弧放電法的基本原理是在惰性氣體的環(huán)境下，將兩個石墨棒作為陰陽極，然后在陰陽極之間加高壓致使產(chǎn)生電弧放電。陰陽極間隔大約一毫米至兩毫米，在電弧放電過程中陰陽極溫度急劇升高，石墨電極在高溫下蒸發(fā)，蒸發(fā)的碳原子一部分會在陰極尖端凝固沉積從而形成碳納米管。電弧放電法制備碳納米管的特點是簡單快速，但是由于在電弧放電時的溫度在3000℃以上，碳納米管在沉積時容易被燒結(jié)成束，而且束中還存在很多非晶碳雜質(zhì)[42]。激光蒸發(fā)法的原理和電弧放電法類似，一般使用高功率激光器，在惰性氣體（通常為氬氣）的環(huán)境下將含有純石墨塊的石英管加熱至石墨塊蒸發(fā)，石墨蒸發(fā)后在基底上凝結(jié)沉積成碳納米管[43]。這兩種方法有一個共同的缺點，無法對碳納米管的長度和

【參考文獻】：
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