具有三明治结构的石墨烯/ZnO纳米针阵列/石墨烯冷阴极场发射特性及机理研究

Cold cathode field emission (FE) technology has more attracting advantages comparing with traditional cathode radical tube technology in panel display fields, the lower electrons emission efficiency and poorer stability. At present, we firstly proposed a sandwiched nanoarchitecture of graphenen/ZnO nanoneedles array/graphene (G/nZnO/G) cold cathode field emission. The G/nZnO/G composites are prepared by microwave-plasma strengthened chemical vapor deposition and pulse laser deposition technology. With the help of measurement of field emission properties (J-E curves) combining with structural, compositions and morphology characteristics, the influence of the geometrical structure and density of ZnO array on field emission properties will be systemically investigated. Specially, the electrical emission strengthened effect after combining graphene with nano-ZnO will be mainly studied for achieving the optimum preparation technique of G/nZnO/G composites with higher current density (≥10 mA/cm2), lower turn-on field intensity (≤2.0 V/μm), and longer life (≥1000 h) and good stability. Simultaneously, the electrical structure and ground energy levels of G/nZnO/G crystals will also be calculated by the first principles. Through the theoretical and simulation analysis, mechanism for the enhanced field emission can be exploited. Based upon the results of the project, it is promising to provide a critical technology and theoretical/practical basis for solving a difficulty on the preparation of new types of cold cathode field emission materials.

与传统阴极射线管技术相比，冷阴极场发射技术在显示器小型化、薄型化方面具有明显优势。本项目首次提出用于冷阴极场发射具有三明治结构的石墨烯/ZnO纳米针阵列/石墨烯（G/nZnO/G）低维复合体，利用微波等离子体增强化学气相沉积法结合脉冲激光沉积技术制备复合体，通过场发射性能(J-E曲线)测试结合形貌、结构及其组成等表征手段，系统研究复合体组成、几何结构和阵列密度对场发射性能的影响规律；重点研究掺杂、衬底等因素对场发射性能增强效果；通过结构设计和工艺优化，改善复合体场发射电流密度（≥10 mA/cm2）、开启场强（≤2.0 V/μm）、寿命（≥1000 h）和稳定性等综合性能指标。同时，利用第一性原理模拟复合体晶体结构，计算其电子结构、离化能、功函数等基态能量值，研究场致发射性能增强机制。本项目将解决冷阴极发射体的关键制备工艺和技术上的难题，为研究新型冷阴极发射材料奠定理论和实践基础。

用于场致电子发射的冷阴极材料的研发有利于促进平板显示器的快速发展，同时对降低微波功率器件和真空微三极管等电子器件的功耗、提高其使用寿命也有积极作用。最具有应用潜力的新型场发射材料主要有碳纳米管、金刚石/类金刚石、氧化锌（ZnO）、乃至石墨烯等。这几种材料的性能各异，其中，ZnO的发光寿命最长，是目前唯一能够在上千小时内稳定工作在低压（<500V）下的材料，而石墨烯（Graphene，G）又具有高迁移率、高电流密度耐性、高导热率等冷阴极材料所必需要的优异品质。.本项目利用化学合成和物理喷溅等方法，制备了一种由石墨烯/ZnO纳米针阵列/石墨烯（G/ZnO/G）组成的具有三明治结构的场发射冷阴极复合体。通过材料表征手段结合场发射性能的测试，优化了复合材料的制备工艺，探索了复合体系的场发射性能增强机制和形貌调控规律，并对其场发射性能和稳定性进行了分析评价。研究发现，当电流密度为1 mA/cm2时，G/ZnO/G复合体的开启场强可低至2.8 V/m，电流密度高达11.46 mA/cm2，场效应增强因子β达到5328。同时此种具有三明治结构的复合材料在持续发射电子620 h后，其电流密度波动范围仍能保持在3%以内，说明其场发射电子的长期稳定性。同时，本项目在密度泛函理论的框架内，构建了复合体的晶体结构，基于第一性原理计算了其能带结构、态密度、功函数、差分电荷密度等基态能量，从理论上解释了复合体场致发射性能增强的机制，实现了实践与理论的相互验证，同时也为实验室研究预测了方向和提供了思路。.本项目在国家自然科学基金的支持下，逐步开展了所有研究内容，并最终全面达到了预期的研究成果。所得结果共发表了SCI 和中文核心期刊论文10 篇，获授权或已公开的国家发明专利5 项，参加了国际/国内学术交流或会议4次，并培养了硕士研究生5名。.本项目的顺利完结为ZnO与石墨烯的复合作为场发射冷阴极材料的研究和规模化应用奠定了坚实的实践和理论基础，为我国在本领域培养了多名相关高端研发人员，同时为本课题组的后续研究和发展也起到了关键性的支撑作用。