石墨烯定向可控生長、場發射電子相干性及機理探索

《石墨烯定向可控生長、場發射電子相干性及機理探索》是依託中山大學，由張宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯定向可控生長、場發射電子相干性及機理探索
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張宇
• 依託單位：中山大學

中文摘要

直立型石墨烯可能是一種優秀的相干電子源材料。首先，石墨烯具有彈道電子輸運的物理特性，其次，石墨烯的場發射性能穩定，且具有線型發射端面，符合電子相干性的基本要求，並具有高電流、高亮度和大視場的優點。石墨烯相干電子源套用於電子全息、電子顯微等領域可以解決缺乏高質量相干電子源的現狀。本項目將通過研究石墨烯的場發射電子相干特性，驗證其作為場發射相干電子源的可行性。首先採用微波電漿化學氣相沉積方法可控制備直立型石墨烯，並採用微探針原位測試方法分析適合於作為相干電子源的石墨烯的最佳形貌結構及其對應的場發射特性，進而採用場發射顯微鏡和能譜分析儀，探索石墨烯的場發射電子相干性，並研究其相干機理。本研究對深入認識以石墨烯為代表的二維納米材料體系的場發射機制，開拓石墨烯在真空相干電子源領域的套用具有前瞻意義。

結題摘要

本項目採用微波電漿化學氣相沉積方法成功製備了直立型少層石墨烯，採用電漿鞘層電場理論解釋了直立石墨烯的生長機理，並在實驗上驗證了正確性，實現了直立石墨烯的生長方向可控性。這對直立石墨烯的可控生長具有積極的指導意義。直立石墨烯具有原子級別厚度的發射尖端和二維散熱面積，我們測得了其優異的場發射特性，開啟電壓低至1.8 V/um，最大電流32.3mA，最大電流密度達到164 mA/cm2，具有穩定的場發射電流，電流抖動小於3.7%。在評述文章“20 things you can do with graphene”中，將本研究工作列為石墨烯的20個潛在套用之一，認為我們製備的直立少層石墨烯在高功率真空電子器件具有套用潛力。我們採用場發射顯微鏡聯用掃描電子顯微鏡技術研究了單片石墨烯的場發射相干性條紋，驗證了石墨烯是場發射相干電子源。我們發現了場發射相干條紋的變化規律，定性解釋了石墨烯的場發射相干性機理，認為石墨烯邊緣的電子態分布是決定相干條紋特徵的根本原因。本工作加深了對石墨烯的場發射機理的認識，並為石墨烯場發射相干電子源提供了實驗證據和理論解釋。