CN101105488B - 逸出功的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逸出功的测量方法，其包括以下步骤：提供一个碳纳米管场发射电子源作为阴极和一个与该阴极相隔预定距离设置的阳极；在真空环境下施加电压于该场发射电子源并测量其场发射电流-电压曲线；在该碳纳米管场发射电子源的碳纳米管表面形成一层待测逸出功的场发射材料；在与上述距离相同的条件下测量形成有待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源的电流-电压曲线；根据福勒-诺德汉方程，依据测得的电流-电压曲线图可得到场发射电子源发射电子的福勒-诺德汉曲线示意图，并进一步得到待测场发射材料的逸出功。

Description

逸出功的测量方法

技术领域

本发明涉及一种逸出功的测量方法，尤其涉及一种场发射材料的逸出功的测量方法。

背景技术

金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。自由电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。一个电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位为电子伏(eV)。不同金属材料逸出功的大小不一样。金属材料的表面发射根据其原因一般可分为热发射与场致发射。当金属的温度升高到一定值时，其表面的电子能获得足够的动能以克服内部的吸引力从金属表面逸出成为自由电子。这种主要是由于热作用而引起的发射称为金属表面的热电子发射。当金属表面存在较高的电场强度时，在电场作用下，由于隧穿效应电子从金属表面逸出，形成强电场发射电子。因为场发射在常温下即可发生，故又称冷发射。强电场发射的电流密度与温度、逸出功、金属表面的场强大小有关。此外，还有由于光或射线照射金属表面引起电子从金属表面逸出的现象称为光发射和由于高速的正离子撞击阴极、电子撞击阳极而形成的发射电子称为二次发射两种形式。研究金属材料表面发射的目的之一，是选择合适的阴极材料，此时，逸出功的测量成为研究金属材料表面发射的关键。

传统的逸出功测量方法一般利用热电子发射的方法来测量金属材料的逸出功。该方法通过将被测金属材料作为真空二极管的阴极电极，并通以电流加热，同时，在真空二极管的阳极电极加正电压。金属材料阴极电极的加热使其中大量电子克服表面势垒而逸出。并且，逸出的电子在阳极电场作用下从阴极到达阳极，持续不断的热电子发射使得在连接这两个电极的外电路中形成电流。依据里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman)公式，通过测定阴极温度、阳极电压与发射电流后，即可得出逸出功的大小。然而，通过热电子发射方法测量逸出功受到很大程度的限制，其需要将阴极电极加热到较高温度，且在测量多种材料的逸出功时，所测得的逸出功的准确度无法保证。

因此，提供一种在常温下能够准确测量多种材料的逸出功的方法成为必要。

发明内容

以下，将以若干实施例说明一种在常温下能够准确测量多种材料的逸出功的方法。

一种逸出功的测量方法，其包括以下步骤：提供一个碳纳米管场发射电子源作为阴极和一个与该阴极相隔预定距离设置的阳极；在真空环境下施加电压于该场发射电子源并测量其场发射电流-电压曲线；在该碳纳米管场发射电子源的碳纳米管表面形成一层待测逸出功的场发射材料；在与上述距离相同的条件下测量形成有待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源的电流-电压曲线；根据福勒-诺德汉方程，依据测得的电流-电压曲线图可得到场发射电子源发射电子的福勒-诺德汉曲线示意图，并进一步得到待测场发射材料的逸出功。

该碳纳米管场发射电子源的制造方法可选择为在显微镜下操纵碳纳米管用导电胶固定到导电基体上，在导电基体上直接生长碳纳米管或者采用电泳法组装碳纳米管到导电基体上。

该待测逸出功的场发射材料的形成方法包括以下步骤：在碳纳米管表面形成一金属层；碳化该金属层形成场发射材料。

该金属材料为钛、锆、铪、铌或钽。

金属层的形成方法选自磁控溅射法或电子束蒸发法。

该待测逸出功的场发射材料的形成方法为将待测逸出功的场发射材料通过溅射直接形成于碳纳米管表面。

该场发射材料为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钽、六硼化镧或镧。

该预定距离为500微米。

根据福勒-诺德汉方程可推导得到福勒-诺德汉曲线方程：

其中，I₁、V₁、φ₁分别为纯碳纳米管作为场发射端的场发射电子源的电流、电压和逸出功；I₂、V₂、φ₂分别为在碳纳米管表面形成有待测场发射材料的场发射电子源的电流、电压和逸出功。

根据福勒-诺德汉曲线方程，由于纯碳纳米管的逸出功为预先已经测定得到，根据福勒-诺德汉曲线的斜率可推导得到待测场发射材料的逸出功。

相较于现有技术，所述的测量逸出功的方法的优点在于通过在高真空环境中以待测场发射材料形成于碳纳米管表面并测量其电流-电压曲线，可以比较准确的测量到待测场发射材料的逸出功。同时，通过结合原子力显微镜的可操纵性，可以很方便的在不同的发射距离下测量电流-电压曲线并进行拟合，增强结果的准确度。另外，本方法比以往的逸出功测量方法更简便，同时本方法可以用来测定多种材料的逸出功，只要这种材料具有良好导电性并且与碳纳米管良好浸润。

附图说明

图1为本发明实施例的逸出功的测量方法的流程示意图。

图2为图1所用的测量装置的示意图。

图3为本发明实施例中形成有碳化锆与六硼化镧作为待测场发射材料层的场发射电子源与未形成待测场发射材料层的场发射电子源的电流-电压曲线的对比示意图。

图4为本发明实施例中形成有碳化锆作为待测场发射材料层的场发射电子源与未形成待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源的福勒-诺德汉(Fowler-Nordheim，F-N)曲线的对比示意图。

图5为本发明实施例中形成有六硼化镧作为待测场发射材料层的场发射电子源与未形成待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源的F-N曲线的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种逸出功的测量方法，主要由以下步骤组成。

步骤一：提供一个碳纳米管场发射电子源作为阴极和一个与该阴极相隔一定距离设置的阳极，该碳纳米管场发射电子源以一碳纳米管作为电子发射端。

请参阅图2，本实施例碳纳米管场发射电子源12包括一锥形导电基体14和一设置于该导电基体14上的碳纳米管16，该碳纳米管16一端由于范德华力吸附在该导电基体14顶部表面，并与该导电基体14电性连接，另一端沿该导电基体14顶部向外延伸。一阳极电极18以一定距离相隔该场发射电子源12设置，该距离可通过在原子力显微镜下进行精确操控确定，优选地，本实施例中该距离为500微米。本实施例碳纳米管场发射电子源12的制造方法可选择采用在显微镜下操纵碳纳米管16用导电胶固定到导电基体14上，在导电基体14上直接生长碳纳米管16或者采用电泳法组装碳纳米管16到导电基体14上。为测量方便，在本实施例中，所述的导电基体14采用表面镀金的原子力显微镜探针(Atomic Force Microscope，AFM)。导电基体14也可以采用其他的导电材料制作，如钨、金、钼、铂等，其形状可依实际需要设计。碳纳米管16优选为多壁碳纳米管，其直径为1纳米～50纳米，长度为10～100微米。

步骤二：在真空环境下施加电压于该场发射电子源12并测量其场发射电流-电压曲线。

本实施例在真空环境下，以碳纳米管16电子发射端与阳极电极18相距500微米时，测量场发射电子源12的电流-电压曲线。

步骤三：在该碳纳米管场发射电子源12的碳纳米管16表面形成一层待测逸出功的场发射材料。

本实施例中，步骤三进一步包括以下步骤：

首先，在该碳纳米管16的表面形成一金属层，该金属层选用具有较低逸出功，较高的熔点，且与碳纳米管表面具有良好的浸润性的材料。本实施例中，该金属层材料可选用钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)或钽(Ta)。该金属层的形成方法包括通过磁控溅射或电子束蒸发的方法形成一厚度为1～10纳米的金属层于该碳纳米管16表面。

然后，在真空环境中，施加电压于该碳纳米管16持续发射电子预定时间，以使该碳纳米管16表面的金属层与碳纳米管16发生化学反应被碳化而形成待测逸出功的场发射层，该场发射层材料为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌或碳化钽。本实施例中，该通电时间为30分钟至2小时，优选为30分钟。如果时间太短该金属层不能完全被碳化，时间太长则会影响到碳纳米管16的使用寿命。优选的，本实施例形成的场发射层为碳化锆层。另外，该碳化碳纳米管16表面金属层的过程也可通过高温下的退火处理来实现。

本技术领域技术人员应明白，由于碳纳米管16主要通过其一端发射电子，实际上只需控制形成一金属层覆盖该碳纳米管16发射电子的一端，然后进一步碳化修饰该碳纳米管发射电子的一端即可。

另外，本实施例步骤三也可直接通过溅射法或其他方法直接形成一层待测场发射材料于碳纳米管16表面，此时该待测场发射材料为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钽、六硼化镧或镧。优选的，本实施例形成一厚度为5纳米的碳化锆层或六硼化镧层于该碳纳米管16和附着有碳纳米管16的导电基体14表面。

本技术领域技术人员应明白，本实施例中逸出功的测量方法还可测量其他待测场发射材料，只要这种材料具有良好导电性并且能与碳纳米管浸润即可。

步骤四：测量形成有待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源12的电流-电压曲线。

在得到上述形成有待测场发射材料层的场发射电子源12后，在相同环境下测量形成有待测场发射材料层的场发射电子源12的电流-电压曲线。

本实施例中，在真空环境中，同样以碳纳米管16电子发射端与阳极电极18相距500微米时，测量形成有待测场发射材料层的场发射电子源12的电流-电压曲线。请参阅图3，其为本实施例中形成有碳化锆与六硼化镧作为待测场发射材料层的场发射电子源12与未形成待测场发射材料层的场发射电子源12的电流-电压曲线的对比示意图。

步骤五：根据福勒-诺德汉(Fowler-Nordheim，F-N)方程，依据测得的电流-电压曲线图可得到场发射电子源12的F-N曲线示意图，并进一步得到待测场发射材料的逸出功。

根据福勒-诺德汉方程：

$j_0=\frac{1.54\×{10}^{-6}{\mathrm{\ϵ}}^2}{\mathrm{\φ}}\exp [-\frac{6.83\×10^7{\mathrm{\φ}}^{3/2}}{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\θ}(3.79\×{10}^{-4}\frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\φ}})],$ 其中，j₀为场发射电流；ε为电场强度；φ为逸出功。进一步地，电场强度ε满足：ε＝βV，其中，β为场增强因子。由于本实施例采用碳纳米管16作为场发射电子源12的电子发射端，其几何形状在形成待测场发射材料层前后基本固定，且，在同样的发射距离下，因此，场增强因子β为定值。根据F-N方程的推导，可得到F-N曲线方程：

其中，I₁、V₁、φ₁分别为纯碳纳米管作为场发射端的场发射电子源的电流、电压和逸出功；I₂、V₂、φ₂为在碳纳米管表面形成有待测场发射材料的场发射电子源的电流、电压和逸出功。请参阅图4与图5，其分别为本实施例中形成有碳化锆与六硼化镧作为待测场发射材料层的场发射电子源12与未形成待测场发射材料层的场发射电子源12的F-N曲线的对比示意图。由F-N曲线方程可知：F-N曲线的斜率唯一取决于逸出功的数值。另外，本领域技术人员应明白，通过碳纳米管热发射可准确测定碳纳米管的逸出功大小，因此，可通过F-N曲线方程确定场发射材料的逸出功。本实施例碳纳米管逸出功的数值优选为4.55电子伏特(eV)，因此，本实施例以碳化锆及六硼化镧为例测得其逸出功分别为3.32eV和2.62eV。

本技术领域技术人员应明白，为得到更准确的待测场发射材料的逸出功数值，本发明逸出功的测量方法还可进一步在不同距离下对同一种待测场发射材料进行逸出功测量，进而能够增强结果的准确度。

相对于现有技术的测量方法，本发明实施例测量逸出功的方法的优点在于通过在高真空环境中以待测场发射材料形成于碳纳米管表面并测量其电流-电压曲线，可以比较准确的测量到待测场发射材料的逸出功。同时，通过结合AFM的可操纵性，可以很方便的在不同的发射距离下测量电流-电压曲线并进行拟合，增强结果的准确度。另外，本方法比以往的逸出功测量方法更简便，同时本方法可以用来测定多种材料的逸出功，只要这种材料具有导电性好并且与碳纳米管良好浸润。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种逸出功的测量方法，其包括以下步骤：

提供一个碳纳米管场发射电子源作为阴极和一个与该阴极相隔预定距离设置的阳极；

在真空环境下施加电压于该场发射电子源并测量其场发射电流-电压曲线；

在该碳纳米管场发射电子源的碳纳米管表面形成一层待测逸出功的场发射材料；

在与上述距离相同的条件下测量形成有待测场发射材料层的碳纳米管场发射电子源的电流-电压曲线；

根据福勒-诺德汉方程，推导得到福勒-诺德汉曲线方程：其中，I₁、V₁、φ₁分别为纯碳纳米管作为场发射端的场发射电子源的电流、电压和逸出功；I₂、V₂、φ₂分别为在碳纳米管表面形成有待测场发射材料的场发射电子源的电流、电压和逸出功；并依据上述两次测得的电流-电压曲线图分别得到场发射电子源发射电子的福勒-诺德汉曲线示意图，从而进一步得到待测场发射材料的逸出功。

2.如权利要求1所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该碳纳米管场发射电子源的制造方法为在显微镜下操纵碳纳米管用导电胶固定到导电基体上，在导电基体上直接生长碳纳米管或者采用电泳法组装碳纳米管到导电基体上。

3.如权利要求1所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该待测逸出功的场发射材料的形成方法包括以下步骤：

在碳纳米管表面形成一金属层；

碳化该金属层形成场发射材料。

4.如权利要求3所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该金属材料为钛、锆、铪、铌或钽。

5.如权利要求3所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该金属层的形成方法选自磁控溅射法或电子束蒸发法。

6.如权利要求1所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该待测逸出功的场发射材料的形成方法为将待测逸出功的场发射材料通过溅射直接形成于碳纳米管表面。

7.如权利要求6所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该场发射材料为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钽、六硼化镧或镧。

8.如权利要求1所述的逸出功的测量方法，其特征在于，该预定距离为500微米。

9.如权利要求1所述的逸出功的测量方法，其特征在于，根据福勒-诺德汉曲线方程，由于纯碳纳米管的逸出功为预先已经测定得到，根据福勒-诺德汉曲线的斜率可推导得到待测场发射材料的逸出功。

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