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第 6 章 场发射
第 6 章 场发射 6.1 简介 电子束在许多应用和基础研究工具中起着核心作用。例如，电子发射用于阴极射线管、X 射线管、扫描电子显微镜和透射电子显微镜。在许多此类应用中，希望获得高密度的窄电子束，且每束的能量分布紧密。所谓的电子枪广泛用于此目的，它利用热阴极的热电子发射来操作。然而，由于发射电子的热展宽，实现具有窄能量分布的电子束很困难。因此，冷阴极的场发射备受关注，但需要大的电场导致尖端表面的原子迁移，因此难以实现长时间稳定运行。碳纳米管可能为这些问题提供解决方案。事实上，碳纳米管在冷场发射方面具有许多优势：与金属和金刚石尖端相比，纳米管尖端的惰性和稳定性可以长时间运行；冷场发射的阈值电压低；工作温度低；响应时间快、功耗低、体积小。本章后面将讨论，利用纳米管优异场发射特性的原型设备已经得到展示。这些设备包括 X 射线管 [Sug01]、扫描 X 射线源 [Zha05]、平板显示器 [Cho99b] 和灯 [Cro04]。在详细介绍场发射之前，我们先介绍一下早期的实验工作，这些工作确立了碳纳米管在场发射方面的前景 [Hee95]。图 6.1 显示了测量碳纳米管薄膜场发射的实验装置。其中，碳纳米管薄膜（纳米管垂直于基底）用作电子发射器。铜网格位于纳米管薄膜上方 20 微米处，由云母片隔开。在铜网格和纳米管薄膜之间施加电压会产生一束电子，该电子束穿过铜网格，并在距离铜网格 1 厘米的电极处被检测到。 （需要注意的是，这些实验是在高真空条件下进行的，场发射装置位于真空室中，残余压力为 10 -6 托。）图 6.1 显示了这种装置的电流与电压曲线，表明正向偏置方向的电流大幅增加（发射类似于二极管：对于负电压，电流非常小）。为了验证光束确实由电子组成，光束在磁场中偏转，偏转对应于具有自由电子质量的粒子的偏转。该图的插图显示了 ( ) 2 log / IV vs 1 V − 的图，即所谓的 Fowler-Nordheim 图（更多信息请参见