《面向實用的新穎碳基點電子源的TEM原位構建》是依託廈門大學，由王鳴生擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：面向實用的新穎碳基點電子源的TEM原位構建
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王鳴生
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳納米管因其優越的結構和性能被公認為理想的場發射材料，並有望取代鎢陰極成為各種先進儀器的場發射點電子源。然而迄今為止，真正實用的碳管點電子源尚未出現，這主要歸因於碳管本身還存在的結構弱點以及加工技術方面的困難。本項目擬採用新興的原位透射電鏡技術來解決這些難題，以推動碳基點電子源的實用化。原位電鏡技術不僅可以實現性能和結構的直接對應，還是強大的加工製備手段。利用此技術，我們已經並還將再構造出幾種新穎的碳基場發射複合尖端結構：單壁納米錐/多壁管、巴基蔥/鎢針尖、少層石墨烯包裹的鎢針尖等。這些結構的共同特點是：保留碳管最關鍵部位，即由sp2碳鍵構成的高曲率閉合末端，改造或是消除碳管徑部。它們的結構更加穩固，場發射穩定性和大電流的承受力顯著提高，這也是碳材料成為實用高亮相干電子源的關鍵。我們將對這些結構的製備工藝、形成機理和場發射性能做深入系統的測試和研究,並通過結構調控使其更接近實用場發射陰極。
結題摘要
本項目旨在利用原位透射電鏡技術，構造出若干新穎的碳基場發射複合尖端結構，並對其製備工藝、形成機理和性能調控進行系統研究，從而為推動碳基點電子源的實用化打下基礎。已取得的主要成果包括：1、利用電子束輻照和焦耳熱的交替作用，實現碳納米管的晶態/非晶結構的可控循環，從而高精度地調節碳管的機械和導電性能，並首次實現了碳管場發射性能的可逆調控（Nano Lett. 2016；Carbon 2018, 封面）。2、發展了一系列碳納米管的長度與直徑的高精度結構控制技術。首次實現兩個不同直徑、層數和手性的多壁碳管的無縫焊接，從而實現碳管的可控加長甚至碳管和石墨烯的無縫互連（Materials Horizons, 2019，封面）；利用電子束輻照並同時輔以高溫退火，實現單根或多根碳管直徑和長度的無損縮減和高精度調控，並提出了一種基於位錯攀爬的碳原子對有序蒸發機制來解釋此新現象。3、對於金屬電極/碳異質納米結構在大電流作用下的界面反應進行系統研究，發現不同重金屬對石墨烯表現出不同的“碳饑渴”行為，被吸入的碳再以彎曲石墨烯的形式在金屬表面析出，並提出了周期性橫向擴張/縱向增厚的石墨烯邊沿生長模型；作為對比，輕金屬則正好相反，它們反納米碳結構吸入，經過體內擴散後在碳表面沉積，且此過程可逆；這些為製備穩定的金屬/碳發射陰極或電源負極提供重要參考（ACS Nano 2017, Nano Energy 2017）。4、此外，還發展了一種高度可控的石墨烯剪裁技術：利用一種碳/鎢“納米刀”對石墨烯邊緣原子進行可控蒸發，從而實現對單片石墨烯的形狀、尺寸以及邊緣手性的任意控制；再通過加熱處理，其邊緣粗糙度可由1-2納米進一步提升至原子級平整度，從而獲得所期待的石墨烯點電子源結構，並以此來調控其場發射性能。這些碳管和石墨烯結構控制工作（部分待發表）不僅為精密加工sp2碳基場發射陰極提供重要技術基礎，更重要的是，我們以此提出和材料生長過程相反的一種“有序質量減法”過程來控制結構的新概念，為碳管和石墨烯的製備及電子學方面的套用提供了獨特思路。
