碳纳米线圈由于其独特的形貌结构及良好的物理化学特性,使它具备了成为场发射电子源的诸多优势。首先,同其他的一维碳纳米材料一样,碳纳米线圈具有很高的线径比,这利于它在尖端聚集电场,获得很高的电场强度。其次,碳纳米线圈独特的螺旋结构使它获得较碳纳米管等其他一维纳米材料更多的电子发射点,增加了场发射电流,并且这些发射点不光位于线圈尖部也位于尖部附近的表面,从而使得碳纳米线圈电子的发射更加均匀和稳定。再次,螺旋结构还使得碳纳米线圈彼此不易团聚,很容易通过简单的方法分散,易于制成场发射器件。除此之外,碳纳米线圈具有稳定的化学性质和很好的导电性,电导率随着温度的升高而增加。这些特点都使得碳纳米线圈有望成为新一代的电子场发射材料。对于大面积碳纳米线圈场发射特性的研究已经有很多报道,而对于单根碳纳米线圈的场发射的研究还比较少。单根碳纳米线圈的场发射研究能够帮助我们更深入的了解碳纳米线圈的场发射特性和机理。在本文的工作中我们制作了单根的碳纳米线圈场发射样品,并对其场发射特性进行了测试研究。本文的主要工作成果如下：(1)本文使用Fe2(SO4)3/SnCl2的混合溶液作为催化剂前驱体,通过热CVD的方法成长出了碳纳米线圈。利用微动操作台,我们在显微镜下用银胶固定的方法制得单根的碳纳米线圈样品。用来测试碳纳米线圈场发射特性的真空系统的极限真空度为2×10-6torr。在真空室观察窗正上方安装了放大倍率为200倍的显微镜,以实现对场发射过程的实时原位观察。(2)本文借助透射电镜和拉曼光谱仪研究分析了单根碳纳米线圈在场发射过程中内部结构的变化。场发射后碳纳米线圈的选区电子衍射斑较场发射前细锐,且(101)面的衍射环变成弧形衍射斑,这说明场发射后碳纳米线圈结晶性变好,石墨化程度变高,拉曼散射光谱的结果也符合这一结论。通过对碳纳米线圈场发射过程中发光光谱的拟合发现,在场发射过程中,高电流产生了高温,促进了碳纳米线圈内部结构变化。(3)本文利用激光对单根碳纳米线圈的尖端形貌进行了处理,改善了单根碳纳米线圈的场发射性质,降低了场发射阂值电压,增大了场发射增强因子。透射电镜观察显示,激光处理后碳纳米线圈内部结构没有改变,而尖端的曲率半径变小。经分析,尖端曲率半径减小是单根碳纳米线圈场发射性能变好的主要原因。(4)在单根碳纳米线圈的场发射测试中,还观察到了线圈的振动现象。在工作中,对碳纳米线圈在场发射过程中的振动进行了初步的探索研究,记录下了碳纳米线圈振动的整个过程,并建立了简化模型对线圈的受力情况以及运动的过程进行了分析。
