镍纳米材料的场电子发射及其应用探究

1）场电子发射概述

（1）场电子发射的定义。

电子从固体（金属或半导体）表面产生并发射进入真空的装置称之为电子发射器（电子枪、光源、电子束照明源、高能电子束）；这种电子发射器的应用极为广泛，如平板显示、平行电子束光刻、X射线源、电子显微镜、高能加速器、真空微波放大器等。电子从固体表面产生并发射方式有两种：一种为热电子发射（爱迪生效应）；一种为场电子发射（冷电子发射、场发射、场致电子发射）。“热电子发射”是靠升高物体温度，给发射体内部的电子以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出而形成的电子发射方式。这种方式发射能耗高，同时还有时间的延迟性。而所谓的“场电子发射”是靠强的外电场来压抑物体的表面势垒，使表面势垒的高度降低、宽度变窄，这样发射体内的大量电子由于隧道效应穿透固体表面势垒而逸出。这种发射方式无延迟性、功耗低、可实现大功率高密度电子流，因此场发射是一种非常有效的电子发射方式。

1928年，Fowler-Nordheim首次利用量子理论研究了金属场电子发射现象，并推导出了F-N场电子发射公式：

式中，J是场电子发射电流密度（μA/cm2）；I是总的发射电流（μA）；S是电子发射的有效区域（cm2）；A=（发射区域）×1.54×10-6 cm2 A（m V-1）2 eV；B=6.83×109（Vm-1）eV-3/2；Φ是金属材料的功函数（镍的功函数是5.15 eV）；E0是发射尖端的区域电场（Vμm-1），其可表达如下：

式中，E是阴极和阳极之间施加的电压（V）；d是两个电极之间的内间距（μm）；β是场增强因子，其大小依赖于金属材料的形貌、晶体结构、尖端曲率、发射尖端的面密度等。场增强因子量化了平面内尖端的场增强程度，代表着尖端电场的真实值。由公式（5-1）和（5-2）可推导出：

从公式（5-3），可推导出ln（J/E2）和（1/E）之间的一个线性关系，因此，通过判断试样的ln（J/E2）和（1/E）是否为线性关系，可以确定试样的I-V曲线是否为场电子发射所致。其中线性的斜率可表达为：

因此，场增强因子β可以很容易地从实验数据拟合的F-N曲线的斜率k推导出。

（2）场电子发射的分类。

根据场电子发射阴极的不同可分为两类：

①尖型场电子发射。低压下形成场致发射，需要利用尖端效应，将阴极表面作成具有很大曲率的尖端才能获得高场强。常用的场电子发射阴极有：Spint型（金属尖锥）（见图5.2.1）、硅尖锥型、混合型（在金属尖锥表面镀上一层功函数小的金属薄膜铯、钽、铂等）。

图5.2.1　Spindt型微尖场电子发射结构示意

②薄膜型场电子发射。金刚石薄膜或类金刚石薄膜作为场致发射阴极，这类材料具有负的电子亲和势，功函数为0.2～0.3 eV，因此做场致发射阴极非常合适。此外，金刚石优良的导热性、稳定的化学性质、好的机械强度等都使金刚石表现出作为场致发射阴极的优势。(www.xing528.com)

（3）场电子发射的应用。

利用场电子发射制造的真空微电子器件有许多超过固体器件的优点，例如真空微电子器件能提供很高的电流密度，在真空微电子器件中电子的弹道传输方式比半导体器件中的荷电粒子的传输方式更有效、速度更快且基本无功耗；此外，利用场电子发射制作的电子发射源工作时无须加热、启动快、对辐射不敏感、无阴极蒸发等诸多优点，且其应用前景非常广泛，如应用于微波器件、场电子发射显示器及传感器等方面。

①微波器件。场电子发射在微波管中的应用主要有两种：一种是预调制放大器，有耦合腔输出的窄带器件速调四极管和螺旋线输出的宽带器件行波速调四极管。二是小型行波管（TWT），用场致发射阴极直接代替TWT中的热阴极做小型化的中功率的TWT放大器。微波器件应用要求场致发射阴极电子源具有高电流密度、低发散、性能稳定可靠、长寿命及栅控能力。大电流、高跨导、低电容的场致发射阴极是提高场致发射微波器件的关键。

②显示屏。场致发射显示屏（field emission display，FED）是一种能够实现轻薄化、功耗低、抗干扰、大屏幕和良好像质的新型显示器件，其原理示意图见图5.2.2（A）；其各方面性能如亮度、功耗、分辨率、响应速度等方面都有与其他显示器相竞争的实力。场致发射显示屏由场致发射阴极阵列、驱动电路和涂有导电薄膜（阳极）及荧光粉的玻璃板构成，阴极是场致发射平板显示器的核心部分。

③传感器。场电子发射在传感器方面的主要应用有：真空微电子磁敏传感器、压力传感器、加速度传感器及图像传感器等。如：压力传感器的结构主要有场致发射阴极、真空腔和阳极等，阳极或场发射阴极可作为压力敏感膜，当其受到压力时将发生形变，阴极与阳极之间的距离变化从而使阴极发射尖锥的场强发生改变，最终表现为输出电流的变化，因而可通过测量电流得到相应的压力值，原理示意图见图5.2.2（B）。一般利用场致发射制作的真空微电子传感器具有灵敏度高、抗辐射、体积小、低功耗等优点。

图5.2.2　场致发射显示屏

（A）场电子发射显示屏原理示意图；（B）场电子发射压力传感器示意图

2）镍纳米材料的场电子发射

目前已制备且用于场电子发射的纳米材料有碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、半导体纳米尖端、金属纳米尖端；其中，镍纳米晶展示了优异的导电性和场电子发射性能，此处我们对镍纳米晶的场电子发射研究进行总结。

2012年，美国伦敦大学的Feizi学者首先通过两步电化学的方法制得AAO模板，然后在镍基底上利用AAO模板控制生长了直径为110～170 nm的镍纳米棒，最后用于场电子发射研究；研究发现镍纳米棒的发射电流为镍薄膜的4倍，且开启电压仅为0.5 V，见图5.2.3（A）。2010年上海交通大学的Hang学者通过无模板一步电沉积法制备了镍纳米锥，且纳米锥的尺寸和顶角可通过电流密度和沉积时间得到很好的控制，场电子发射测试发现：镍纳米锥具有较低的开启电场5～6 V/μm、较大的发射电流155～206μA，且纳米锥的形貌和密度很大地影响了场发射性能，具体测试结果见图5.2.3（B）。

2009年，我国台湾清华大学的Lee学者通过气相沉积法在镍箔上生长了长度为几十微米、直径为40～80 nm的单晶NiSi2纳米线，且此纳米线拥有较低的电阻率和较优良的场电子发射性能，测试结果为：最大失效电流为3.0×108 A/cm2、开启电场为1.5 V/μm、场增强因子为2 970，见图5.2.4（A），NiSi2纳米线这种优异的场发射性能为纳米电子器件的应用提供了很大的前景。2008年，韩国机械与材料研究院的Kim学者通过物理气相沉积法在不同的基底上制得了Ni-Si纳米线，场发射测量发现：在硅和钨基底上生长的Ni-Si纳米线的场增强因子分别为3 180和3 002；由于钨基底的优异传导性能导致在5 V/μm时发射电流为172.5μA/cm2（硅基底的发射电流为76.5μA/cm2），具体结果见图5.2.4（B）。

图5.2.3　镍纳米棒与镍纳米锥

（A）镍纳米棒的合成及场电子发射性能；（B）镍纳米锥阵列的制备及场电子发射性能

图5.2.4　纳米线性能

（A）单晶NiSi2纳米线的合成及场电子发射性能；（B）Ni-Si纳米线的形成及场发射性能