单层石墨烯边缘局域电子特性表征及二维场发射电子源应用探索

Graphene is a new cold-cathode material owns promising prospect for application in vacuum micro/nano electronic devices. The preparation, characterization and application of graphene based field emission electron sources have gained intensive concern. In this project, high resolution field emission microscopy (FEM) and field emission energy distribution (FEED) techniques are employed for investigating the field emission properties and the related physical mechanisms of the single-layer graphene in single-atom scale. The work focuses on the physical aspects of the local current-voltage (I-V) characteristics, field emission energy distributions, chirality-dependence of the field emission properties and the effect of the functional groups (-O, =O, -H, -N, -CO, -OH, =N-H) on the electron emission. Realted physcal model will be proposed. Based the findings, techniques will be developed for optimizing the filed emission performance of the graphene. Studied will perform on employing the potential of the single-layer graphene as a two-dimensional linear cohenence electron source and its application for low voltage electron beam nanolithography. The work provides new physics and novel application of the graphne.

石墨烯是一种新型场发射材料，有可能在新型真空微纳电子器件上获得应用。石墨烯的场发射特性表征、机理研究及电子源研制是真空纳电子领域的一个热点。本课题拟利用高分辨场发射显微镜及发射电子能谱分析等技术手段，在单原子尺度上研究单层石墨烯边缘的微观局域电子特性，包括局域I-V特性、微区电子发射像、发射电子能谱，边缘手性对石墨烯边缘电子发射的影响，边缘悬挂官能团(-O, =O, -H, -N, -CO, -OH, =N-H)对电子发射的影响规律。结合实验研究结果，发展相关的理论，建立单层石墨烯边缘场发射物理模型。在上述工作基础上，发展优化单层石墨烯边缘电子发射均匀性的技术途径，探索单层石墨烯边缘作为二维线状电子源应用于相干电子源器件和低压电子束纳米光刻的可能性。研究结果可为理解石墨烯边缘微观局域电子特性提供重要实验证据，对促进石墨烯在新型纳米电子器件上的应用具有实用意义。

石墨烯基阴极是一类新型场发射材料，有可能在真空电子器件上获得应用。实现石墨烯基阴极在真空电子器件上的应用，面临如下问题：(1) 电子发射主要来源于石墨烯边缘，边缘的电子结构对表面势垒高度具有重要的影响，从而决定了电子发射性能，需要对不同边缘电子结构进行系统研究，寻找相关规律；(2) 不同器件上的薄膜阴极，几何形态和物性各异，如何获得均匀的电子发射是一个难题；(3) 如何实现悬空石墨烯的纳米加工及其与真空电子器件集成制作。针对上述问题，项目开展了氧化石墨烯阴极的可控组装、石墨烯微纳图形化及新型器件结构研制、氧化石墨烯边缘电子态及其场发射机理研究、有源控制石墨烯冷阴极电子源器件研制及其应用尝试。所取得的成果包括：(1) 发明了蒸汽输运法，实现了少层氧化石墨烯的微纳操控组装，实现氧化石墨烯的转移以及连续薄膜的制备；在上述基础上，研制出氧化石墨烯薄膜与场效应晶体管的集成器件结构，实现了氧化石墨烯阴极的有源场发射控制，并验证了器件结构在场发射显示器件上的可能应用。(2) 发明了二维原子材料图形化方法，通过在石墨烯表面用电子束诱导沉积非晶碳作为刻蚀的掩膜，辅以氧等离子体刻蚀实现石墨烯纳米精细图形的制作。(3)实验和理论研究石墨烯边缘局域悬挂官能团C-O-C、C=O对其场发射特性的影响规律，发现了氧化石墨烯的场发射性能随C/O原子个数比的增加呈非线性变化；场发射电流所产生的焦耳热，可引起C=O和C-O-C官能团的解构、脱附，对氧化石墨烯薄膜起到还原的作用。我们提出C-O-C、C=O不同的离化能和表面局域势垒，造成场发射性能的变化，合理解释了所发现的实验现象，为优化石墨烯基场发射阴极的性能提供了重要的参考。项目研究结果为研制高可靠性、大发射电流强度（/密度）的纳米电子源阵列提供技术和理论支撑，对促进二维原子材料在真空微纳电子器件中的应用具有重要的意义。