碳纳米管冷阴极脉冲发射特性及仿真模型研究

袁学松; 张宇; 孙利民; 黎晓云; 邓少芝; 许宁生; 鄢扬

doi:10.7498/aps.61.216101

摘要

针对碳纳米管场致发射冷阴极在微波、毫米波电真空辐射源器件中的应用需求, 采用2 μs, 20 kV的脉冲高压对碳纳米管场致发射冷阴极的脉冲发射特性进行了实验研究. 通过改变阴阳极间距, 对碳纳米管冷阴极发射电流特性及发生脉冲高压打火后的碳纳米管冷阴极发射特性进行了测试研究. 在直径为4 mm的圆形平面碳纳米管冷阴极上获得最大发射电流16 mA, 电流密度为127 mA/cm2. 以实验测试数据为基础, 结合粒子模拟软件建立碳纳米管冷阴极场致发射仿真模型, 给出了该仿真模型的相关参数, 为下一步设计研制碳纳米管冷阴极电子光学系统及相关辐射源器件奠定基础.

关键词:

Abstract

For the application requirement of a carbon nanotube clod cathode (CNCC) used in the microwave and millimeter wave electric vacuum radiation source devices, pulsed field emission characteristics of CNCC are experimentally investigated by a 2 μs/20 kV high-voltage modulator in this paper. The pulsed field emission currents for different distances between anode and cathode and those of CNCC after the pulsed high-tension arc has occurred many times are studied. A maximal emission current of 16 mA is tested for CNCC with a 4 mm diameter emission disk, and the emission current density is achieved to be 127 mA/cm2. Based on the experimental results, the field emission simulation model of CNCC is established by PIC simulation software. Simulation results show that this simulation model is suited for describing the experimental results and laying the foundation for the development of CNCC electron optical system and radiation source devices.

Keywords:

作者及机构信息

1.
电子科技大学物理电子学院, 成都 610054;

2.
中山大学理工学院, 光电材料与技术国家重点实验室, 广州 510275

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: U1134006, 61101041)和中山大学光电材料与技术国家重点实验室开放课题(批准号: KF2010-ZD-06)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China;

2.
State Key Laboratory Optoelectronic Materials and Technologies, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U1134006, 61101041), and an open-project fund from State Key Laboratory of Opto-Electronic Material and Technologies (Sun Yatsen University, Guangzhou, China) (Grant No. KF2010-ZD-06).

参考文献

[1]	Jonge N D, Bonard J M 2004 Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362 2239
[2]	Zhang Y, Deng S Z, Duan C Y, Chen J, Xu N S 2008 J. Vac. Sci. Technol. B 26 106
[3]	Zhang Y, Deng S Z, Xu N S, Chen J 2008 J. Vac. Sci. Technol. B 26 1033
[4]	Zheng X, Chen G H, Li Z B, Deng S Z, Xu N S 2004 Phys. Rev. Lett. 92 106803
[5]	Zhang J, Yang G, Cheng Y, Gao B, Qiu Q, Lee Y Z, Lu J P, Zhou O 2005 Appl. Phys. Lett. 86 184104
[6]	Niels D J, Yann L, Koen S, Tjerk H O 2002 Nature 420 393
[7]	Hozumi Y, Ohsawa S, Sugimura T, Ikeda M 2004 Proceedings of LINAC Lübeck, Germany, August 16-20, 2004 p652
[8]	Liao Q L, Zhang Y, Xia L S, Qi J J, Huang Y H, Deng Z Q, Gao Z J, Cao J W 2008 Acta Phys. Sin. 57 2328 (in Chinese) [廖庆亮, 张跃, 夏连胜, 齐俊杰, 黄运华, 邓战强, 高战军, 曹佳伟 2008 物理学报 57 2328]
[9]	Liao Q L, Zhang Y, Huang Y H, Qi J J, Gao Z J, Xia L S, Zhang H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1778 (in Chinese) [廖庆亮, 张跃, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 夏连胜, 张篁 2008 物理学报 57 1778]
[10]	Chen Y, Zhang H, Yang A M, Xia L S, Liu X G 2012 Acta Phys. Sin. 61 072901 (in Chinese) [谌怡, 张篁, 杨安民, 夏连胜, 刘星光 2012 物理学报 61 072901]
[11]	Qian L, Wang Y Q, Liu L, Fan S S 2011 Acta Phys. Sin. 60 028801 (in Chinese) [潜力, 王昱权, 刘亮, 范守善 2011 物理学报 60 028801]
[12]	Yuan X S, Yan Y, Liu S G 2011 Acta Phys. Sin. 60 014102 (in Chinese) [袁学松, 鄢扬, 刘盛纲 2011 物理学报 60 014102]
[13]	Calderon C X, Geng H Z, Gao B, An L, Cao G H, Zhou O 2009 Nanotechnology 20 325707
[14]	Li C, Zhang Y, Mann M, Hasko D, Lei W, Wang B P, Chu D P, Pribat D, Gehan A J A, William I M 2010 Appl. Phys. Lett. 97 113107
[15]	Zhong D Y, Zhang G Y, Liu S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 3 506
[16]	Berdinsky A S, Shaporin A V, Yoo J B, Park J H, Alegaonkar P S, Han H J, Son J H 2006 Appl. Phys. A 83 377
[17]	Zhu Y B, Wang W L, Liao K J 2002 Acta Phys. Sin. 51 2335 [朱亚波, 王万录, 廖克俊 2002 物理学报 51 2335]
[18]	Zhang Y, Du J L, Tang S, Liu P, Deng S Z, Chen J, Xu N S 2012 Nanotechnology 23 015202
[19]	Zhang Y, Du J L, Xu J H, Deng S Z, Xu N S, Chen J 2011 Ultramicroscopy 111 426
[20]	Bonard J M, Dean K A, Coll F C, Klinke C 2002 Phys. Rev. Lett. 89 197602

施引文献

[1]	Jonge N D, Bonard J M 2004 Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362 2239
[2]	Zhang Y, Deng S Z, Duan C Y, Chen J, Xu N S 2008 J. Vac. Sci. Technol. B 26 106
[3]	Zhang Y, Deng S Z, Xu N S, Chen J 2008 J. Vac. Sci. Technol. B 26 1033
[4]	Zheng X, Chen G H, Li Z B, Deng S Z, Xu N S 2004 Phys. Rev. Lett. 92 106803
[5]	Zhang J, Yang G, Cheng Y, Gao B, Qiu Q, Lee Y Z, Lu J P, Zhou O 2005 Appl. Phys. Lett. 86 184104
[6]	Niels D J, Yann L, Koen S, Tjerk H O 2002 Nature 420 393
[7]	Hozumi Y, Ohsawa S, Sugimura T, Ikeda M 2004 Proceedings of LINAC Lübeck, Germany, August 16-20, 2004 p652
[8]	Liao Q L, Zhang Y, Xia L S, Qi J J, Huang Y H, Deng Z Q, Gao Z J, Cao J W 2008 Acta Phys. Sin. 57 2328 (in Chinese) [廖庆亮, 张跃, 夏连胜, 齐俊杰, 黄运华, 邓战强, 高战军, 曹佳伟 2008 物理学报 57 2328]
[9]	Liao Q L, Zhang Y, Huang Y H, Qi J J, Gao Z J, Xia L S, Zhang H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1778 (in Chinese) [廖庆亮, 张跃, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 夏连胜, 张篁 2008 物理学报 57 1778]
[10]	Chen Y, Zhang H, Yang A M, Xia L S, Liu X G 2012 Acta Phys. Sin. 61 072901 (in Chinese) [谌怡, 张篁, 杨安民, 夏连胜, 刘星光 2012 物理学报 61 072901]
[11]	Qian L, Wang Y Q, Liu L, Fan S S 2011 Acta Phys. Sin. 60 028801 (in Chinese) [潜力, 王昱权, 刘亮, 范守善 2011 物理学报 60 028801]
[12]	Yuan X S, Yan Y, Liu S G 2011 Acta Phys. Sin. 60 014102 (in Chinese) [袁学松, 鄢扬, 刘盛纲 2011 物理学报 60 014102]
[13]	Calderon C X, Geng H Z, Gao B, An L, Cao G H, Zhou O 2009 Nanotechnology 20 325707
[14]	Li C, Zhang Y, Mann M, Hasko D, Lei W, Wang B P, Chu D P, Pribat D, Gehan A J A, William I M 2010 Appl. Phys. Lett. 97 113107
[15]	Zhong D Y, Zhang G Y, Liu S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 3 506
[16]	Berdinsky A S, Shaporin A V, Yoo J B, Park J H, Alegaonkar P S, Han H J, Son J H 2006 Appl. Phys. A 83 377
[17]	Zhu Y B, Wang W L, Liao K J 2002 Acta Phys. Sin. 51 2335 [朱亚波, 王万录, 廖克俊 2002 物理学报 51 2335]
[18]	Zhang Y, Du J L, Tang S, Liu P, Deng S Z, Chen J, Xu N S 2012 Nanotechnology 23 015202
[19]	Zhang Y, Du J L, Xu J H, Deng S Z, Xu N S, Chen J 2011 Ultramicroscopy 111 426
[20]	Bonard J M, Dean K A, Coll F C, Klinke C 2002 Phys. Rev. Lett. 89 197602

[1]	马玉龙, 向伟, 金大志, 陈磊, 姚泽恩, 王琦龙. 碳纳米管薄膜场蒸发效应. 物理学报, 2016, 65(9): 097901. doi: 10.7498/aps.65.097901
[2]	蔡丹, 刘列, 巨金川, 王海涛, 赵雪龙, 王潇. 碳纳米管和天鹅绒阴极强流发射特性的对比研究. 物理学报, 2016, 65(4): 045202. doi: 10.7498/aps.65.045202
[3]	马立安, 郑永安, 魏朝晖, 胡利勤, 郭太良. 合成温度和N2/O2流量比对碳纤维衬底上生长的SnO2纳米线形貌及场发射性能影响. 物理学报, 2015, 64(23): 237901. doi: 10.7498/aps.64.237901
[4]	向飞, 吴平, 曾凡光, 王淦平, 李春霞, 鞠炳全. 强流碳纳米管阴极快脉冲重频发射特性. 物理学报, 2015, 64(16): 164103. doi: 10.7498/aps.64.164103
[5]	王益军, 严诚. 不同电场下碳纳米管场致发射电流密度研究. 物理学报, 2015, 64(19): 197304. doi: 10.7498/aps.64.197304
[6]	左应红, 王建国, 范如玉. 二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响. 物理学报, 2012, 61(21): 215202. doi: 10.7498/aps.61.215202
[7]	彭凯, 刘大刚. 三维热场致发射模型的数值模拟与研究. 物理学报, 2012, 61(12): 121301. doi: 10.7498/aps.61.121301
[8]	潜力, 王昱权, 刘亮, 范守善. 碳纳米管在大气压环境中的场致发射特性. 物理学报, 2011, 60(2): 028801. doi: 10.7498/aps.60.028801
[9]	潘金艳, 张文彦, 高云龙. 基于铟锡氧化物/Ti复合电极的高亮度碳纳米管场致发射冷阴极. 物理学报, 2010, 59(12): 8762-8769. doi: 10.7498/aps.59.8762
[10]	何春山, 王伟良, 陈桂华, 李志兵. 镜像势对碳纳米管阵列场发射特性的影响. 物理学报, 2009, 58(13): 241-S245. doi: 10.7498/aps.58.241
[11]	柏鑫, 王鸣生, 刘洋, 张耿民, 张兆祥, 赵兴钰, 郭等柱, 薛增泉. 碳纳米管端口的场蒸发. 物理学报, 2008, 57(7): 4596-4601. doi: 10.7498/aps.57.4596
[12]	廖庆亮, 张跃, 夏连胜, 齐俊杰, 黄运华, 邓战强, 高战军, 曹佳伟. 丝网印刷制备碳纳米管阴极的强流脉冲发射特性研究. 物理学报, 2008, 57(4): 2328-2333. doi: 10.7498/aps.57.2328
[13]	覃华芳, 郭太良. 基于沉淀工艺制作四脚氧化锌纳米材料场致发射阴极的研究. 物理学报, 2008, 57(2): 1224-1228. doi: 10.7498/aps.57.1224
[14]	廖庆亮, 张跃, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 夏连胜, 张篁. 碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀. 物理学报, 2008, 57(3): 1778-1783. doi: 10.7498/aps.57.1778
[15]	廖庆亮, 张跃, 夏连胜, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 张篁. 碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5335-5340. doi: 10.7498/aps.56.5335
[16]	雷达, 曾乐勇, 夏玉学, 陈松, 梁静秋, 王维彪. 带栅极纳米线冷阴极的场增强因子研究. 物理学报, 2007, 56(11): 6616-6622. doi: 10.7498/aps.56.6616
[17]	郭平生, 陈婷, 曹章轶, 张哲娟, 陈奕卫, 孙卓. 场致发射阴极碳纳米管的热化学气相沉积法低温生长. 物理学报, 2007, 56(11): 6705-6711. doi: 10.7498/aps.56.6705
[18]	林志贤, 郭太良, 胡利勤, 姚亮, 王晶晶, 杨春建, 张永爱, 郑可炉. 四角状氧化锌纳米材料的场致发射平板显示器. 物理学报, 2006, 55(10): 5531-5534. doi: 10.7498/aps.55.5531
[19]	丁佩, 晁明举, 梁二军, 郭新勇. 不同氮源制备CNx纳米管薄膜及其低场致电子发射性能. 物理学报, 2005, 54(12): 5926-5930. doi: 10.7498/aps.54.5926
[20]	丁佩, 晁明举, 梁二军, 郭新勇, 杜祖亮. CNx纳米管的制备、结构观察及低场致电子发射性能研究. 物理学报, 2004, 53(8): 2786-2791. doi: 10.7498/aps.53.2786

计量

文章访问数: 7577
PDF下载量: 948
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板