專利名稱：逸出功的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種逸出功的測量方法，尤其涉及一種場發射材料的逸出功 的測量方法。
背景技術：
金屬材料表面在某些情況下能發射出自由電子，這種現象叫表面發射。 自由電子的產生是由于金屬內的電子得到能量，克服內部的吸引力而逸出金
屬。 一個電子逸出金屬所需能量叫逸出功，其單位為電子伏(eV)。不同金 屬材料逸出功的大小不一樣。金屬材料的表面發射根據其原因一般可分為熱 發射與場致發射。當金屬的溫度升高到一定值時，其表面的電子能獲得足夠 的動能以克服內部的吸引力從金屬表面逸出成為自由電子。這種主要是由于 熱作用而引起的發射稱為金屬表面的熱電子發射。當金屬表面存在較高的電 場強度時，在電場作用下，由于隧穿效應電子從金屬表面逸出，形成強電場 發射電子。因為場發射在常溫下即可發生，故又稱冷發射。強電場發射的電 流密度與溫度、逸出功、金屬表面的場強大小有關。此外，還有由于光或射 線照射金屬表面引起電子從金屬表面逸出的現象稱為光發射和由于高速的 正離子撞擊陰極、電子撞擊陽極而形成的發射電子稱為二次發射兩種形式。 研究金屬材料表面發射的目的之一，是選擇合適的陰極材料，此時，逸出功 的測量成為研究金屬材料表面發射的關鍵。
傳統的逸出功測量方法一般利用熱電子發射的方法來測量金屬材料的 逸出功。該方法通過將被測金屬材料作為真空二極管的陰極電極，并通以電 流加熱，同時，在真空二極管的陽極電極加正電壓。金屬材料陰極電極的加 熱使其中大量電子克服表面勢壘而逸出。并且，逸出的電子在陽極電場作用 下從陰極到達陽極，持續不斷的熱電子發射使得在連接這兩個電極的外電路 中形成電流。依據里查遜一杜什曼(Richardson-Dushman)公式，通過測定陰 極溫度、陽極電壓與發射電流后，即可得出逸出功的大小。然而，通過熱電 子發射方法測量逸出功受到很大程度的限制，其需要將陰極電極加熱到較高
溫度，且在測量多種材料的逸出功時，所測得的逸出功的準確度無法保證。 因此，提供一種在常溫下能夠準確測量多種材料的逸出功的方法成為必要。
發明內容
以下，將以若干實施例說明一種在常溫下能夠準確測量多種材料的逸出 功的方法。
一種逸出功的測量方法，其包括以下步驟提供一個碳納米管場發射電 子源作為陰極和 一 個與該陰極相隔預定距離設置的陽極；在真空環境下施加 電壓于該場發射電子源并測量其場發射電流一電壓曲線；在該碳納米管場發 射電子源的碳納米管表面形成一層待測逸出功的場發射材料；在與上述距離 相同的條件下測量形成有待測場發射材料層的碳納米管場發射電子源的電 流一電壓曲線；根據福勒一諾德漢方程，依據測得的電流一電壓曲線圖可得 到場發射電子源發射電子的福勒一諾德漢曲線示意圖，并進一步得到待測場 發射材料的逸出功。
該碳納米管場發射電子源的制造方法可選擇為在顯微鏡下操縱碳納米 管用導電膠固定到導電基體上，在導電基體上直接生長碳納米管或者采用電 泳法組裝碳納米管到導電基體上。
該待測逸出功的場發射材料的形成方法包括以下步驟在碳納米管表面 形成一金屬層；碳化該金屬層形成場發射材料。
該金屬材料為鈦、鋯、鉿、鈮或鉭。
金屬層的形成方法選自磁控賊射法或電子束蒸發法。
該待測逸出功的場發射材料的形成方法為將待測逸出功的場發射材料 通過濺射直接形成于碳納米管表面。
該場發射材料為碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化鈮、碳化鉭、六硼化鑭 或鑭。
該預定距離為500微米。
根據福勒 一 諾德漢方程可推導得到福勒 一 諾德漢曲線方程
一 3/2 ^ ,(/2/C2))1)，其中，！'、 v'、 ^分別為純碳納米管作為場
.發射端的場發射電子源的電流、電壓和逸出功；I2、 V2、 ^分別為在碳納米 管表面形成有待測場發射材料的場發射電子源的電流、電壓和逸出功。
如權利要求9所述的逸出功的測量方法，其特征在于，根據福勒一諾德 漢曲線方程，由于純碳納米管的逸出功為預先已經測定得到，根據福勒一諾 德漢曲線的斜率可推導得到待測場發射材料的逸出功。
相較于現有技術，所述的測量逸出功的方法的優點在于通過在高真空環 境中以待測場發射材料形成于碳納米管表面并測量其電流一 電壓曲線，可以 比較準確的測量到待測場發射材料的逸出功。同時，通過結合原子力顯微鏡 的可操縱性，可以很方便的在不同的發射距離下測量電流一 電壓曲線并進行 擬合，增強結果的準確度。另外，本方法比以往的逸出功測量方法更簡便， 同時本方法可以用來測定多種材料的逸出功，只要這種材料具有良好導電性 并且與碳納米管良好浸潤。
圖1為本發明實施例的逸出功的測量方法的流程示意圖。 圖2為圖1所用的測量裝置的示意圖。
圖3為本發明實施例中形成有碳化鋯與六硼化鑭作為待測場發射材料層 的場發射電子源與未形成待測場發射材料層的場發射電子源的電流一 電壓 曲線的對比示意圖。
圖4為本發明實施例中形成有碳化鋯作為待測場發射材料層的場發射電 子源與未形成待測場發射材料層的碳納米管場發射電子源的福勒一諾德漢 (Fowler-Nordheim, F-N)曲線的對比示意圖。
圖5為本發明實施例中形成有六硼化鑭作為待測場發射材料層的場發射 電子源與未形成待測場發射材料層的碳納米管場發射電子源的F-N曲線的 對比示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參閱圖l,本發明實施例提供的一種逸出功的測量方法，主要由以下 步驟組成。
步驟一提供一個碳納米管場發射電子源作為陰極和一個與該陰極相隔 一定距離設置的陽極，該碳納米管場發射電子源以一碳納米管作為電子發射
端o
請參閱圖2,本實施例碳納米管場發射電子源12包括一錐形導電基體 14和一設置于該導電基體14上的碳納米管16，該碳納米管16—端由于范 德華力吸附在該導電基體14頂部表面，并與該導電基體14電性連接，另一 端沿該導電基體14頂部向外延伸。 一陽極電極18以一定距離相隔該場發射 電子源12設置，該距離可通過在原子力顯微鏡下進行精確操控確定，優選 地，本實施例中該距離為500微米。本實施例碳納米管場發射電子源12的 制造方法可選擇采用在顯微鏡下操縱碳納米管16用導電膠固定到導電基體 14上，在導電基體14上直接生長碳納米管16或者采用電泳法組裝碳納米管 16到導電基體14上。為測量方便，在本實施例中，所述的導電基體14采用 表面鍍金的原子力顯微鏡探針(Atomic Force Microscope, AFM)。導電基體 14也可以采用其他的導電材料制作，如鴒、金、鉬、鉑等，其形狀可依實際 需要設計。碳納米管16優選為多壁碳納米管，其直徑為1納米 50納米，長 度為10 100微米。
步驟二在真空環境下施加電壓于該場發射電子源12并測量其場發射 電流一電壓曲線。
本實施例在真空環境下，以碳納米管16電子發射端與陽極電極18相距 500微米時，測量場發射電子源12的電流一 電壓曲線。
步驟三在該碳納米管場發射電子源12的碳納米管16表面形成一層待 測逸出功的場發射材料。
本實施例中，步驟三進一步包括以下步驟
首先，在該碳納米管16的表面形成一金屬層，該金屬層選用具有較低 逸出功，較高的熔點，且與碳納米管表面具有良好的浸潤性的材料。本實施 例中，該金屬層材料可選用鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)或鉭(Ta)。 該金屬層的形成方法包括通過磁控濺射或電子束蒸發的方法形成一厚度為 1 10納米的金屬層于該碳納米管16表面。
然后，在真空環境中，施加電壓于該碳納米管16持續發射電子預定時 間，以使該碳納米管16表面的金屬層與碳納米管16發生化學反應被碳化而
形成待測逸出功的場發射層，該場發射層材料為碳化4太、碳化鋯、碳化鉿、
碳化鈮或碳化鉭。本實施例中，該通電時間為30分鐘至2小時，優選為30 分鐘。如果時間太短該金屬層不能完全被碳化，時間太長則會影響到碳納米 管16的使用壽命。優選的，本實施例形成的場發射層為碳化鋯層。另外， 該碳化碳納米管16表面金屬層的過程也可通過高溫下的退火處理來實現。
本技術領域技術人員應明白，由于碳納米管16主要通過其一端發射電 子，實際上只需控制形成一金屬層覆蓋該碳納米管16發射電子的一端，然 后進一步碳化修飾該碳納米管發射電子的一端即可。
另外，本實施例步驟三也可直接通過濺射法或其他方法直接形成一層待 測場發射材料于碳納米管16表面，此時該待測場發射材料為碳化鈦、碳化 鋯、碳化鉿、碳化鈮、碳化鉭、六硼化鑭或鑭。優選的，本實施例形成一厚 度為5納米的碳化鋯層或六硼化鑭層于該碳納米管16和附著有碳納米管16 的導電基體14表面。
本技術領域技術人員應明白，本實施例中逸出功的測量方法還可測量其 他待測場發射材料，只要這種材料具有良好導電性并且能與碳納米管浸潤即 可。
電流一電壓曲線。
在得到上述形成有待測場發射材料層的場發射電子源12后，在相同環 境下測量形成有待測場發射材料層的場發射電子源12的電流一電壓曲線。 本實施例中，在真空環境中，同樣以碳納米管16電子發射端與陽極電極18 相距50(H鼓米時，測量形成有待測場發射材料層的場發射電子源12的電流 一電壓曲線。請參閱圖3，其為本實施例中形成有碳化鋯與六硼化鑭作為待 測場發射材料層的場發射電子源12與未形成待測場發射材料層的場發射電 子源12的電流一電壓曲線的對比示意圖。
步驟五根據福勒 一 諾德漢(Fowler-Nordheim， F-N )方程，依據測得 的電流一電壓曲線圖可得到場發射電子源12的F-N曲線示意圖，并進一步 得到待測場發射材料的逸出功。
根據福勒一諾德漢方程
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場發射電流；s為電場強度；^為逸出功。進一步地，電場強度s滿足
s二pr,其中，y0為場增強因子。由于本實施例采用碳納米管16作為場發
射電子源12的電子發射端，其幾何形狀在形成待測場發射材料層前后基本
固定，且，在同樣的發射距離下，因此，場增強因子P為定值。根據F-N方
攀(vc》^ 、3" w丄
程的推導，可得到F-N曲線方程^T^7^T(i)，其中，！'、 V"病分別為純碳納米管作為場發射端的場發射電子源的電流、電壓和逸出 功；I2、 V2、 ^為在碳納米管表面形成有待測場發射材料的場發射電子源的 電流、電壓和逸出功。請參閱圖4與圖5，其分別為本實施例中形成有碳化
鋯與六硼化鑭作為持測場發射材料層的場發射電子源12與未形成待測場發 射材料層的場發射電子源12的F-N曲線的對比示意圖。由F-N曲線方程可 知F-N曲線的斜率唯一取決于逸出功的數值。另外，本領域技術人員應明 白，通過碳納米管熱發射可準確測定碳納米管的逸出功大小，因此，可通過 F-N曲線方程確定場發射材料的逸出功。本實施例碳納米管逸出功的數值優 選為4.55電子伏特(eV)，因此，本實施例以碳化鋯及六硼化鑭為例測得其 逸出功分別為3.32eV和2.62eV。
本技術領域技術人員應明白，為得到更準確的待測場發射材料的逸出功 數值，本發明逸出功的測量方法還可進 一 步在不同距離下對同 一 種待測場發 射材料進行逸出功測量，進而能夠增強結果的準確度。
相對于現有技術的測量方法，本發明實施例測量逸出功的方法的優點在 于通過在高真空環境中以待測場發射材料形成于碳納米管表面并測量其電 流一電壓曲線，可以比較準確的測量到待測場發射材料的逸出功。同時，通 過結合AFM的可操縱性，可以很方便的在不同的發射距離下測量電流一電 壓曲線并進行擬合，增強結果的準確度。另外，本方法比以往的逸出功測量 方法更簡便，同時本方法可以用來測定多種材料的逸出功，只要這種材料具 有導電性好并且與碳納米管良好浸潤。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依
據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種逸出功的測量方法，其包括以下步驟提供一個碳納米管場發射電子源作為陰極和一個與該陰極相隔預定距離設置的陽極；在真空環境下施加電壓于該場發射電子源并測量其場發射電流一電壓曲線；在該碳納米管場發射電子源的碳納米管表面形成一層待測逸出功的場發射材料；在與上述距離相同的條件下測量形成有待測場發射材料層的碳納米管場發射電子源的電流-電壓曲線；根據福勒-諾德漢方程，依據測得的電流-電壓曲線圖可得到場發射電子源發射電子的福勒-諾德漢曲線示意圖，并進一步得到待測場發射材料的逸出功。
2. 如權利要求l所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該碳納米管場發射 電子源的制造方法可選擇為在顯微鏡下操縱碳納米管用導電膠固定到導 電基體上，在導電基體上直接生長碳納米管或者采用電泳法組裝碳納米管 到導電基體上。
3. 如權利要求l所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該待測逸出功的場 發射材料的形成方法包括以下步驟在碳納米管表面形成一金屬層； 碳化該金屬層形成場發射材料。
4. 如權利要求3所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該金屬材料為鈦、 鋯、鉿、鈮或鉭。
5. 如權利要求3所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該金屬層的形成方 法選自磁控'減射法或電子束蒸發法。
6. 如權利要求l所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該待測逸出功的場 發射材料的形成方法為將待測逸出功的場發射材料通過濺射直接形成于 碳納米管表面。
7. 如權利要求4或6所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該場發射材料為 碳化鈦、碳化鋯、碳化鉿、碳化鈮、碳化鉭、六硼化鑭或鑭。
8. 如權利要求l所述的逸出功的測量方法，其特征在于，該預定距離為500 微米。
9. 如權利要求l所述的逸出功的測量方法，其特征在于，根據福勒一諾德漢方程可推導得到福勒一諾德漢曲線方程力""〃 〃,2、,"〃;、、= (f),攀(/2/「2 )/(1/。) A其中，I,、 V,、《分別為純碳納米管作為場發射端的場發射電子源的電流、 電壓和逸出功；I2、 V2、 ^分別為在碳納米管表面形成有待測場發射材料 的場發射電子源的電流、電壓和逸出功。
10. 如權利要求9所述的逸出功的測量方法，其特征在于，根據福勒一諾德漢 曲線方程，由于純碳納米管的逸出功為預先已經測定得到，根據福勒一諾 德漢曲線的斜率可推導得到待測場發射材料的逸出功。
全文摘要
本發明涉及一種逸出功的測量方法，其包括以下步驟提供一個碳納米管場發射電子源作為陰極和一個與該陰極相隔預定距離設置的陽極；在真空環境下施加電壓于該場發射電子源并測量其場發射電流—電壓曲線；在該碳納米管場發射電子源的碳納米管表面形成一層待測逸出功的場發射材料；在與上述距離相同的條件下測量形成有待測場發射材料層的碳納米管場發射電子源的電流—電壓曲線；根據福勒—諾德漢方程，依據測得的電流—電壓曲線圖可得到場發射電子源發射電子的福勒—諾德漢曲線示意圖，并進一步得到待測場發射材料的逸出功。
文檔編號G01N23/00GK101105488SQ20061006164
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者姜開利, 范守善, 巍 魏 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司