1 国家纳米科学中心中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室（筹），北京 100190
2 国家纳米科学中心中国科学院纳米卓越中心，北京 100190
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
在原子尺度上研究电荷输运超快动力学特性，对于揭示光催化、光合作用等物理化学过程的机制有着重要意义。与高能（>20 keV）电子束相比，低能（<500 eV）电子束在样品表面微弱的局域电场下有较大的散射截面，结合全息成像机制，可以实现亚纳米级的空间分辨能力。因此，若采用具有飞秒时间分辨能力的超快相干电子源，低能电子全息成像有望实现对原子尺度的电荷输运超快动力学过程的表征。首先介绍了超快低能电子全息成像的原理，然后讨论了超快相干电子源的产生机制和性能，在此基础上，阐述了超快低能电子全息成像的研究现状并展望了未来的发展趋势。
全息 电子全息成像 低能电子成像 超快电子源 相干电子源 场发射 电荷输运超快动力学
郑州航空工业管理学院 材料学院, 郑州 450046
采用射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术, 以甲烷为碳源, 在金属铜箔上制备了三维垂直石墨烯。通过调节生长参数, 进行了七组对比实验, 利用扫描电子显微镜, 拉曼光谱对垂直石墨烯的形貌、质量以及层数进行了表征, 用二级结构的场发射仪器测试了垂直石墨烯的场发射特性, 研究了垂直石墨烯的场发射特性与其形貌、质量和密度的关系, 并获得了开启电场低至0.29V/μm的场发射特性。研究结果表明, 垂直石墨烯是一种良好的场发射材料, 未来在真空电子源中具有广阔的应用前景。
1 郑州师范学院 物理与电子工程学院， 郑州 450044
2 郑州大学 物理工程学院 材料物理教育部重点实验室， 郑州 450052
采用微波等离子体化学气相沉积，在不同的沉积条件下得到两种微米金刚石颗粒薄膜，通过拉曼光谱仪和X射线仪分析了两种薄膜的成分，用扫描电子显微镜分析了两种薄膜的表面形貌，用二级结构的场发射装置研究了薄膜的场发射性能，最终分析并讨论了场发射性能优异的微米金刚石薄膜的特征。
微波等离子体化学气相沉积 微米金刚石聚晶薄膜 场发射 microwave plasma chemical vapor deposition method micron diamond films field emission
1 福州大学至诚学院，福州 350002
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室，福州 350108
3 福州大学 物理与信息工程学院，福州 350108
针对传统图形化工艺复杂且图形未经精细设计，导致电场分布不均匀的问题，通过ANSYS Maxwell 16.0仿真软件研究电子运动轨迹规律，提出图形化发射体阵列有效发射尺寸和最佳阵列间距阴极结构的新思路，改善场发射性能。仿真结果表明，当阵列间距为200 μm时，图形化阵列中心区域的电场分布平坦，阵列四周突变上升。这是由于阵列边缘部分相比于阵列中心区域部分更表现出针尖的特性，当阵列间距越小时，单元阵列之间的边缘区域场强叠加，出现场强叠加区。当阵列间距逐渐增大时，场强边缘叠加效应削弱，同时电场屏蔽效应也削弱。因此，阵列边长越大，为400 μm时，阴极表面场强趋于平坦，场强边缘叠加效应和电场屏蔽效应达到平衡。而阵列间距增大到600 μm时，会导致单元阵列平面中心位置相对较远，单元阵列场发射相对独立，电子发射出现空档区域。因此，阵列间距选取适中数值时，阵列边缘场强叠加效应削弱，四周电场也不会出现盲区，电场基本达到均匀分布。根据仿真结果，通过喷墨打印图形化种子层实现图案化发射体阵列精准定位，再水热生长ZnO纳米棒阴极阵列。场致发射实验结果表明，随着间距的增加，开启场强Eon从200 μm时的2.95 V/μm降低到400 μm时的0.57 V/μm，并进一步变为600 μm时的2.26 V/μm；而场增强因子β随阵列间距从200 μm增加到600 μm，先增大后减小。这与仿真结果吻合，即在ZnO阴极阵列有效发射尺寸为200 μm情况下，当阵列间距为400 μm时，场发射性能最优，其开启场强为0.57 V/μm，场发射增强因子为32 179。通过调控图形化阵列电子发射轨迹，从而减小场叠加和场屏蔽效应可以改善场发射性能。结合图形化设计和喷墨打印的高效性，有望实现高性能场致发射电子源。
电子源 场致发射 喷墨打印 ZnO纳米棒 图形化阵列 水热生长 Electron source Field emission Inkjet printing ZnO nanorods Patterned array Hydrothermal growth
1 1.西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室, 西安 710049
2 2.西安交通大学 电子科学与工程学院, 西安 710049
3 3.生态环境部核与辐射安全中心, 北京 100082
量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性, 结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低, 本研究在传统方法的基础上引入恒流源, 提出电催化金属辅助化学刻蚀法, 高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30 mA恒定电流的条件下, 硅纳米线的平均制备速率可达308 nm/min, 较传统方法提升了173%。研究了AgNO3浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律; 测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm, 当场强为14.16 V/μm时, 电流密度为64 μA/cm2。
电化学 金属辅助化学刻蚀法 硅纳米线 多孔硅 场发射 electrochemistry metal assisted chemical etching silicon nanowire porous silicon field emission
1 郑州师范学院 物理与电子工程学院, 郑州 450044
2 郑州大学 物理工程学院 材料物理教育部重点实验室, 郑州 450052
采用微波等离子化学气相沉积方法, 以甲烷和氢气为反应气体, 在镀有金属钛的陶瓷衬底上, 制备了微米金刚石聚晶薄膜。利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱对薄膜的化学组成、微观结构和表面形貌进行了表征。用二级结构的场发射仪和扫描隧道显微镜研究了薄膜的场发射性能, 结果表明微米金刚石聚晶薄膜发射点主要来源于聚晶颗粒。进一步研究了单个聚晶颗粒表面不同区域的发射性能, 发现多种因素对场发射的性能有影响。
微波等离子体化学气相沉积 微米金刚石聚晶薄膜 场发射 microwave plasma chemical vapor deposition micron diamond polycrystalline film field emission
郑州航空工业管理学院材料学院, 郑州 450015
利用化学气相沉积(CVD)法, 以甲烷为碳源在管式炉中合成了单体石墨纤维(MGF)。选取长度为3.426 mm, 顶端球面半径为11.26 μm的单体石墨纤维直立于圆铜片上作为阴极, 以导电ITO玻璃作为阳极, 采用二极管结构在真空室中进行直流场发射测试, 证实MGF的开启场强为0.477 5 V/μm。基于有限元仿真软件ANSYS进行电磁场分析, 计算了MGF在不同电压下的有效发射面积。结果表明, 当电压为5.36 kV时, MGF达到最大发射面积为796.226 μm2, 在实验测量电压范围内, 平均发射电流密度可以达到46.069 A/cm2, 单体石墨纤维具有良好的场发射特性。
单体石墨纤维 场发射 有效发射面积 电流密度 场增强因子 monomer graphite fiber field emission effective emission area current density field enhancement factor
Author Affiliations
Abstract
Institute of Micro- and Nanoelectronics, Nanoscale Systems Group, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Ilmenau University of Technology, Gustav-Kirchhoff-Str. 1, 98693 Ilmenau, Germany
Cost effective patterning based on scanning probe nanolithography (SPL) has the potential for electronic and optical nano-device manufacturing and other nanotechnological applications. One of the fundamental advantages of SPL is its capability for patterning and imaging employing the same probe. This is achieved with self-sensing and self-actuating cantilevers, also known as ‘active’ cantilevers. Here we used active cantilevers to demonstrate a novel path towards single digit nanoscale patterning by employing a low energy (<100 eV) electron exposure to thin films of molecular resist. By tuning the electron energies to the lithographically relevant chemical resist transformations, the interaction volumes can be highly localized. This method allows for greater control over spatially confined lithography and enhances sensitivity. We found that at low electron energies, the exposure in ambient conditions required approximately 10 electrons per single calixarene molecule to induce a crosslinking event. The sensitivity was 80-times greater than a classical electron beam exposure at 30 keV. By operating the electro-exposure process in ambient conditions a novel lithographic reaction scheme based on a direct ablation of resist material (positive tone) is presented.
nanofabrication field-emission scanning probe lithography single nanometer lithography molecular resist International Journal of Extreme Manufacturing
2020, 2(3): 032005
中山大学 电子与信息工程学院, 光电材料与技术国家重点实验室, 广东省显示材料与技术重点实验室, 广州 510275
作为一种典型的近藤拓扑绝缘体, 近年来六硼化钐(SmB6)材料受到了凝聚态物理和材料科学领域研究者的广泛关注。与块体材料相比, SmB6纳米材料由于具有更大的比表面积而拥有更为丰富的表面电子态, 因此被认为是一个研究表面量子效应和物理机制的理想平台。由于场发射电流主要来源于纳米材料的表面态, 所以研究SmB6纳米材料的场发射特性可以为研究其表面量子特性提供有益的参考。本研究利用化学气相沉积法, 通过控制实验条件在硅衬底上分别实现了SmB6纳米带和纳米线薄膜的生长。研究结果表明: 所制备的SmB6纳米线和纳米带分别为沿着[100]和[110]方向生长的立方单晶结构。场发射特性的测试结果发现: SmB6纳米带薄膜的开启电场为3.24 V/μm, 最大电流密度达到了466.16 μA/cm 2, 其场发射性能要优于纳米线薄膜。同时考虑到SmB6拥有很低的电子亲和势、高电导率和丰富的表面电子态, 所以若可以进一步提高其场发射特性, 那么很可能在冷阴极电子源领域有潜在应用。
六硼化钐 近藤拓扑绝缘体 纳米线 纳米带 场致电子发射 samarium hexaboride (SmB6) topological Kondo insulator nanowires nanobelts field emission (FE)
1 福州大学物理与信息工程学院, 福州 350108
2 场致发射显示技术教育部工程研究中心, 福州 350108
通过丝网印刷将四针状纳米氧化锌(tetrapod-liked zinc oxide nanoneedles, T-ZnO)转移到电极表面, 采用旋涂的方法在T-ZnO阵列上方形成连续的、悬浮结构的还原石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)层薄膜, 制备出以T-ZnO为支撑层的T-ZnO/rGO复合薄膜冷阴极。实验表明: 相对于T-ZnO阴极, T-ZnO/rGO薄膜阴极发射电流密度提高、开启场强与阈值场强降低, 其开启场强为2.5 V/μm (电流密度10 μA/cm2), 阈值电场为3.8 V/μm (电流密度为1 mA/cm2), 具有良好的场发射性能。
还原氧化石墨烯 四针状氧化锌 复合阴极 场致电子发射 reduced graphene oxide tetrapod-liked zinc oxide composite emitters electron field emission
