《碳納米管表面處理增強場致電子發射性能研究》是依託中山大學，由陳建擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管表面處理增強場致電子發射性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳建
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本課題將以碳納米管表面處理（H2等離子處理，O2電漿處理，Cs表面沉積等）改性研究為起點，通過表面處理增強碳納米管場致電子發射性能。在具體研究中，首先結合掃描探針顯微技術、原位光電子能譜和場致電子發射譜聯合技術等揭示表面處理後碳納米管的表面結構原子鍵合的化學構成和真實圖像，並從能量和能帶角度計算界面表面結構的穩定性和對增強場致電子發射性能所起的作用；其次研究表面處理後的碳納米管在不同氣氛下的場致電子發射特性的變化，探索其界面表面的結構和電學特性與場致電子發射性能之間的相互關聯，建立碳納米管表面處理前後的表面能帶結構與場發射能譜之間的對應關係，從根本上解決電子場發射的內在機制並以此為基礎建立碳納米管界面表面電子發射的基本物理圖像。通過這項課題的研究，我們將為表面處理在碳納米管冷陰極器件上的實際套用提供理論依據和技術保障。
結題摘要
在本項目的資助下，考慮到碳納米管場發射性能的研究在實際套用上的局限性和逐漸減弱之趨勢，同時考慮各方面的因素，我們在對碳納米管場發射表面處理改性研究的前提基礎上，逐步開展了一些碳基複合納米材料以及石墨烯材料的製備和場發射及光電性能研究。主要研究內容和結果包括：（1）結合紫外光電子能譜肯拉曼光譜對溶液製備在談納米管薄膜在場致電子發射性能進行研究，發現納米管薄膜在表面有效勢壘在外加電場作用下逐步下降，界面過渡層在接觸電阻與談納米管薄膜中的非晶碳成分均可以增強場致電子發射；（2）高質量低缺陷大面積石墨烯片的製備和性能測試。我們經過大量嘗試，在高真空低溫無氫環境下通過自組裝CVD方法在銅基片上用無缺陷的多環芳烴（如六苯並苯coronene、並五苯pentacene、紅熒烯rubrene等）合成高質量厘米量級的石墨烯片，如採用六苯並苯則生成溫度可低至550℃。實驗表明石墨烯經退火處理後出現的不可逆摻雜效應來源於石墨烯與SiO2襯底之間的界面偶極子Si-O鍵，去除界面污染物將減小界面距離從而加劇摻雜效應。另外氧原子在界面處的擴散會增加界面偶極子從而能增強摻雜效應。石墨烯經氣氛熱處理後使得其與襯底之間的界面懸掛鍵鈍化從而減小摻雜效應。場效應測試表明該法製備的石墨烯在室溫下載流子遷移率高達~5300 cm2V-1s-1；（3）利用傳統的管式爐技術，合成得到C/Al4C3納米線超結構。經透射電子顯微鏡（TEM）研究表明，該超結構形成類似Al4C3/amorphous carbon/Al4C3/amorphous carbon…超晶格結構，在外加電場作用下，電子從基底很容易注入到與鹼金屬性質相似的Al4C3結構層，然後通過異質層界面隧穿至非晶碳層。通過反覆的周期結構，絕緣的Al4C3材料在室溫下就呈現出良好的場發射性能及穩定性，其開啟電場可低至0.65-1.3 V/μm，閾值電場為2.1-2.6 V/μm，該指標遠低於前十年在碳納米管以及其它納米材料（如ZnO、WOx、MO2、MO3、SiC等）場發射性能研究中獲得的實驗統計數據；（4）採用柔性、高導電的碳材料（碳布或碳纖維），合成納米氧化物核殼複合結構，首次製備出纖維全固態柔性超級電容器，具有良好的電容特性。結果還表明生長在碳布上的碳納米顆粒在柔性冷陰極方面具有重要套用前景，證實了熱傳導是高性能柔性冷陰極的關鍵因素之一。
