内电场驱动下石墨烯表面电子发射特性的实验研究

Even though electron emission proerties of nanomaterials have been widely studied, the previously-reported studies mainly focused on the field emission from the tips of one-dimenisoanl (1D) nanomaterials (e.g. carbon nanotubes et al. ) and the edges of two-dimensional (2D) nanomaterials (e.g. graphene et al.). To date, electron emission from the surfaces but not the edges of 2D nanomaterials has seldom been studied. Herein, a program on electron emission from the surfaces of individual graphene is proposed, especially involving the electron emission from the surface of electrically-biased graphene. As compared to previously-studied electron emission, electron emission from the surface of graphene has two distinct features:(1)electrons in graphene are confined in a quantum well along the emisssion direction, and (2)all electrons in graphene always locate at the emission boundary with vacuum. Obviously, those two features will significantly influence electron emission properties, so electron emission from the surfaces of graphene is expected to exhibit new properties that are absent in well-stuided electron emission from the tips of 1D nanomaterials and the edges of 2D nanomaterials.The program is devoted to exploring the laws governing electron emission from the surfaces of graphene. In order to overcome the challenges of nanomaterial-based field electron sources, the program is also aiming at devoloping electron soucrces with both low working temperature and low working voltage, and also good controllability and repeatability, based on the electron emission from graphene surfaces.

纳米材料的电子发射特性虽然被广泛地研究，但之前的研究主要关注碳纳米管等一维纳米材料尖端和石墨烯等二维纳米材料边缘的场电子发射，二维纳米材料表面电子发射的研究国内外还很少有报道。本项目拟致力于实验研究单片石墨烯表面，而非边缘，的电子发射，特别涉及给石墨烯施加内电压/电场使得电子从其表面发射出来的电子发射形式。相比于之前所研究的电子发射，石墨烯表面的电子发射具有两个特点：（1）材料中的电子沿发射方向被限制在一个量子阱中，（2）材料中所有电子时刻处于发射边界。这两个特点将会显著影响材料的电子发射特性，因此石墨烯表面电子发射将具有不同于我们已知电子发射规律的新规律。本项目将深入探索石墨烯表面电子发射的规律，并基于石墨烯表面电子发射探索同时具有低工作温度和低工作电压，以及具有很好的可控性和可重复性的新型电子源，以克服目前纳米材料场发射源在实际应用中所遇到的技术障碍。

相比于此前被广泛研究的石墨烯边缘场电子发射，石墨烯表面的电子发射具有两个特点：（1）材料中的电子沿发射方向被限制在一个量子阱中，（2）材料中所有电子时刻处于发射边界。这两个特点将会显著影响材料的电子发射特性，因此石墨烯表面电子发射将具有不同于我们已知电子发射规律的新规律，并有可能发展出新型电子源。本项目主要研究了以下内容：（1）石墨烯表面电子发射结构的制备和加工，（2）石墨烯在内电场驱动下表面电子发射的测试方法和电子发射特性，（3）石墨烯在内电场驱动下表面电子发射特性的影响因素，（4）基于石墨烯表面电子发射的新型电子源和真空电子器件。围绕以上研究内容，本项目取得了如下研究成果：（1）发展了石墨烯表面电子发射结构的微加工方法，加工出单层及多层石墨烯表面电子发射的器件结构；（2）发展了石墨烯在内电场驱动下表面电子发射特性的测试方法，获得石墨烯表面电子发射的开启电压、发射电流、电流密度、发射效率、响应时间、可稳定工作真空度等重要性能参数；（3）获得了石墨烯表面电子发射特性与石墨烯层数、几何尺寸、衬底、缺陷的关系；（4）基于石墨烯表面电子发射发展出一种新型on-chip微型电子源并实现电子源的阵列集成，该新型微型电子源具有开启电压低（~3V）、响应时间快（<1us）、工作真空要求低（~0.0001 Pa）、发射电流可大幅栅调制（6个量级）、可控性好、可阵列集成等优点；基于石墨烯微型电子源进一步提出并实现一种新结构的微型真空三极管，其开关比达到6个量级、压阈值摆幅为120mV/dec、工作电压小于10V。相关研究成果对于深入理解石墨烯等二维纳米材料在内电场驱动下表面电子发射规律具有重要的意义，石墨烯微型电子源还开辟了一个实现高性能on-chip微型电子源和微型真空电子器件的新途径。