基于电场叠加原理,利用悬浮球模型给出了带栅极纳米管顶端电场与电场增强因子,分析了碳纳米管与衬底之间的接触电阻、器件几何参量以及阴栅极之间的电介质对器件场发射性能的影响. 结果表明：接触电阻大大降低了碳纳米管阴极的场发射电流,当接触电阻超过100 kΩ时,发射电流密度非常小,此时需要更高的阳极开启电压;当阴栅极之间的电介质为真空时,阴极电子发射性能最佳;除了碳纳米管的长径比之外,栅孔半径、阴栅极间距以及阳极距离等的优化设计,也能提高器件发射性能;通过栅极偏压的调制,可以降低阳极驱动电压.

以界面势垒对碳纳米管(CNT)场发射的影响为研究目的,在硅衬底上引进很薄的二氧化硅层,以二氧化硅层作为绝缘势垒,然后在二氧化硅界面层上直接生长CNT,来研究二氧化硅绝缘势垒层对CNT场发射的影响。场发射结果为:Fowler-Nordheim(F-N)曲线分为两部分,高电场下偏离F-N曲线并趋于饱和。在双势垒模型的基础上,从电场在两势垒上的分布不同及电子在两势垒上的隧穿几率不同,理论上分析了界面势垒对场发射的影响:低电场下电子在界面势垒的隧穿几率大于在表面势垒的隧穿几率,界面势垒对场发射不起阻碍作用,场发射遵守F-N规律;高电场下电子在界面势垒的隧穿几率小于在表面势垒的隧穿几率,场发射偏离F-N规律。理论对实验结果进行了合理的解释。