大面積石墨烯強流發射冷陰極的構建基礎及套用研究

《大面積石墨烯強流發射冷陰極的構建基礎及套用研究》是依託北京科技大學，由廖慶亮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大面積石墨烯強流發射冷陰極的構建基礎及套用研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：廖慶亮
• 項目類別：面上項目

項目摘要

強流發射冷陰極是高能器件的核心部件，石墨烯以其獨特的結構性能，具有優異的電子發射性能，可作強流發射冷陰極。本研究擬製備大面積石墨烯冷陰極作為強流電子束源套用於高能電子器件。建立和發展石墨烯可控的低成本宏量製備方法，分別製備基於基底和自支撐的高質量大面積石墨烯薄膜，完善製備方法，實現對薄膜形貌、厚度和均勻性的控制。實現石墨烯與其他納米材料的有效複合，兩者優勢互補，提高電子發射性能。系統研究大面積石墨烯及其複合材料冷陰極在高壓脈衝電場中的發射性能，揭示石墨烯的尺寸效應、邊緣態和缺陷態與發射性能的理論關係；確定石墨烯薄膜形貌、厚度和複合工藝對陰極發射性能的影響規律。通過基片預處理、石墨烯表面沉積CsI和電漿處理等提高陰極的發射性能，延長陰極壽命。開展大面積石墨烯冷陰極在加速器等高能器件上的實際套用研究。分析石墨烯陰極在脈衝電場中的強流電子束髮射過程，闡明石墨烯冷陰極的強流電子束髮射機理。

結題摘要

強流發射冷陰極是高能真空電子器件的核心部件，石墨烯具有獨特的結構和電學特性，是一種優異的電子發射材料，可用於構建強流發射冷陰極。本項目主要圍繞石墨烯強流發射冷陰極的研製和實現其在國防武器裝備上的套用開展研究。在實現石墨烯可控低成本宏量製備的基礎上，採用手術刀法、超聲霧化噴塗法和電泳沉積法成功製備了大面積石墨烯冷陰極，實現對石墨烯薄膜形貌、厚度和均勻性的控制。將石墨烯與其他納米材料進行複合，成功製備了3D石墨烯/氧化鋅納米棒陣列和石墨烯/層狀二硫化鉬兩種複合結構場發射冷陰極。研究了石墨烯冷陰極在直流及脈衝兩種電場下的電子發射性能。在直流電場下，當石墨烯薄膜厚度為130μm，場強為5V/μm時的陰極發射電流密度達到30mA/cm2。陰極電子發射的螢光發光均勻、發射電流穩定性好。通過退火處理使石墨烯陰極的開啟電場由2.03 V/μm降到1.99 V/μm。在1.89MV脈衝電場下，石墨烯冷陰極的最高發射電流密度達到70A/cm2，遠高於在直流電場下的發射電流密度。對兩種石墨烯複合結構材料陰極的電子發射性能進行了研究，通過材料形貌和結構調控最佳化了陰極發射性能，顯著降低了陰極的發射開啟電場和閾值電場。3D石墨烯/氧化鋅和石墨烯/層狀二硫化鉬複合結構冷陰極的場增強因子分別達到3087和6081。構建的石墨烯冷陰極在高壓脈衝電場中獲得了強流電子束髮射，Ni/3D graphene/ZnO NRAs結構陰極的脈衝發射電流密度達到91.42 A/cm2。在石墨烯冷陰極的強流發射過程中發現了電漿產生，證實了陰極發射過程中的氣體釋放和石墨烯氧化現象，石墨烯分解氧化生成了CO2，建立了石墨烯冷陰極的場致電漿強流電子束髮射機理。發展了石墨烯的高性能功能器件，研製的大面積石墨烯冷陰極實現了在直線感應加速器上記錄武器爆轟過程的實際套用。研究成果對推動我國新型國防武器裝備的研發具有重要作用。