分析镍纳米锥的电子发射性能

1）镍纳米锥场电子发射电流

我们认为在镍箔基底上生长的镍纳米锥阵列作为场电子发射器较为理想，因为纳米锥具有很小的纳米尖端和很好的导电性。到目前为止，与碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、Co3O4纳米片、ZnO四角结构的场发射性能研究相比，镍纳米锥的相关研究极少。我们用自己制备的镍纳米锥阵列进行场发射性能测试，真空度为5.0×10-4 Pa、纳米锥和阳极板之间的距离为300μm，阴阳极之间施加的最大电压为3 000 V。

图5.3.8　镍纳米锥场电子发射电流

（A1）～（A2）镍箔基底上的镍纳米锥阵列的场发射电流密度和施加电场之间的关系；（B）镍纳米锥相应的F-N曲线

镍纳米锥的场发射电流密度和施加电场之间的曲线关系（J-E）（见图5.3.8（A1）和（A2））（星号标识）。镍纳米锥阵列的开启电场（Eto，当电流密度达到10μA/cm-2时的电场值）为4.1 V/μm-1（图5.3.8（A1）），低于之前的相关报道。当施加5 V/μm-1时，发射电流为26μA（图5.3.8（A1））。当施加的电场增加至10 V/μm-1时，镍纳米锥的场发射电流高达1 730μA（见图5.3.8（A2））。In（J/E2）和（1/E）之间的线性关系说明了镍纳米锥阵列的场发射遵循F-N（Fowler-Nordheim，F-N）规则，且场增强因子β为3 720（其可通过“In（J/E2）和（1/E）之间的线性关系”的斜率来获得）。作一个比较，镍箔基底上的镍纳米锥的场增强因子（3 720）分别大于生长在Si基底上的CdS纳米线（555）、生长在铜基底上的镍纳米锥（2 000）以及铜基底上的ZnS纳米线阵列（3 400），这可能是因为镍箔基底上水热法合成的镍纳米锥的尖端直径较小的原因所致。我们制备的其他的镍纳米锥阵列也展示了类似的、良好的场发电子射性能：即低的开启电场，高的发射电流密度，以及大的场增强因子。

2）气体分子对镍纳米锥场电子发射性能的影响

众所周知，吸附在发射体上的气体分子对场电子发射性能会造成很大的影响。为了使镍纳米锥阵列的场发射性能非常稳定并说明其场电子发射的机制，理解残余气体的吸附和解吸附对于场电子发射性能的影响是非常关键的一步。残余气体（空气）由各种各样的气体分子组成，如氮气、氧气、水蒸气等。为了区别来自空气中的不同的气体分子对于场发射性能的不同影响，我们分别单独引入了氮气、氧气进行实验。对于这种气体影响的测试实验，测试腔的基压为5.0×10-4 Pa，高纯的气体引入密封的测试腔直到压力增加到2.0×10-4 Pa，保压24 h。每次高纯气体保压之后，测试腔被重新降低为5.0×10-4 Pa。

图5.3.9（A1和A2；B1和B2；星号标识）为镍纳米锥阵列被分别暴露在两种不同的气体环境中所测试的J-E曲线；测试结果如下：

（1）氮气环境：开启电场为4.0 V/μm-1；发射电流密度为1.94 mA/cm-2（在10 V/μm-1的电场条件下）。

（2）氧气环境：开启电场为4.5 V/μm-1；发射电流密度为1.54 mA/cm-2（在10 V/μm-1的电场条件下）。

（3）氮气环境下的开启电场小于氧化环境；氮气环境下的发射电流密度大于氧气环境。

这种现象与气体分子的电负性有很大的关系，氧的电负性（3.44）比氮的电负性（3.04）强。具有较强的电负性的气体分子吸附到纳米锥尖端表面时抑制电子发射的程度更强。此外，吸附的氧分子在镍纳米锥电子发射时产生的热量条件下容易对锥尖产生腐蚀。这致使尖端的毁坏可能会导致较差的场电子发射性能。因此，尽管空气中含有各种气体分子，但是氧气分子对镍纳米锥的场电子发射性能影响较大（相比于其他气体分子来说）。(www.xing528.com)

3）提高镍纳米锥阵列的场电子发射性能的方案一

镍纳米锥的场电子发射性能测试实验中，我们发现一个非常有趣的现象：当我们重复地从0～3 000 V施加电压一些次数之后，场电子发射电流密度有增大的趋势；类似的现象在各种气体（如氮气、氧气）暴露实验中也被观察到。图5.3.8和图5.3.9中展示了镍纳米锥重复加压时的场电子发射性能。用氮气暴露作为一个例子，起初，当施加的电场为10 V/μm-1时，镍纳米锥阵列的场发射电流密度仅为1.94 mA/cm-2（图5.3.9（A2），星号标识）；开启电场为4.0 V/μm（见图5.3.9（A1））；场增强因子为3 720（见图5.3.9（A3））。然而，通过重复的施加电压5次且不改变其他实验产生，场电子发射电流密度上升为2.86 mA/cm-2（见图5.3.9（A2），三角形标识）；且重复施压的次数越多，发射电流密度越大、开启电场越低。重复10次施压之后，镍纳米锥的场电子发射电流密度达到了3.32 mA/cm-2（见图5.3.9（A2），正方形标识）；场增强因子也提高到了5 910（见图5.3.9（A3））；开启电场降低到了3.0 V/μm（见图5.3.9（A1））。类似的场发射性能改善的结果在空气（见图5.3.8）和氧气（见图5.3.9（B1～B3））实验中也被观察到了。这种有趣的现象意味着重复的施压可以很大地改善镍纳米锥的场电子发射性能。

图5.3.9　气体分子对镍纳米锥场电子发射性能的影响

氮气（A1和A2）和氧气（B1和B2）中暴露之后的镍纳米锥阵列的场发射电流密度和施加电场之间的关系；（A3和B3）Ni纳米锥阵列相应的F-N曲线

4）镍纳米锥阵列的场电子发射机制

基于上面的实验结果，我们提出了可能的镍纳米锥场电子发射机制，如图5.3.10所示。当镍纳米锥阵列暴露在空气中时，各种气体分子（如氮气和氧气）吸附在镍纳米锥的表面和尖端，能够很大地影响纳米锥的场电子发射性能。在高真空的测试腔内，仅真空泵的辅助下是不足以移除吸附在纳米锥表层的所有气体分子的。电子通过纳米锥的缺陷或尖端在高压下发射电子，同时产生焦耳热。当一个较高的电场施加在纳米锥阵列上时，较大的发射电流致使电子在纳米锥之间流动并在锥体的缺陷处和尖端处产生大量的焦耳热。这些被加热了的纳米锥能够解吸附掉吸附在其上的气体分子，并因此降低了气体吸附层的浓度（见图5.3.10（B））。随着电场的增加，热量在被加热的纳米锥之间相互辐射，引起了吸附在纳米锥表面的气体分子解吸附，因此改善了其场电子发射性能。例如，10次重复施压之后，氧气暴露的镍纳米锥的场电子发射电流密度增加了1.6倍（10 V/μm的电场下，图5.3.9（B2）），场增强因子增加了大约1.5倍（图5.3.9（B3）），开启电场降低了约0.8倍（见图5.3.9（B1））。也就是说，镍纳米锥的场电子发射性能通过解吸附气体分子可以得到很大的改善。

5）提高镍纳米锥阵列的场电子发射性能的方案二

从镍纳米锥阵列的场发射测试的J-E曲线（见图5.3.8和图5.3.9）中可以很明显地看到，场电子发射电流密度在J-E测量中波动很大，特别是在开始阶段。这种波动通过长时间的施加高电压来降低（我们称之为“真空J-E处理”），如图5.3.11（A）所示。对镍纳米锥阵列进行“真空J-E处理”直到场电子发射电流密度的波动消失为止，在“真空J-E处理”期间，发射电流密度在不断的增加，且波动在逐渐地降低。图5.3.11（B）展示了镍纳米锥在“真空J-E处理”前后的场电子发射的J-E曲线，从中我们可以清晰地看到长时间的“真空J-E处理”使发射电流密度的波动减小，且电流密度增大。在施加10 V/μm的电场下，镍纳米锥的场发射电流密度从“真空J-E处理”前的1.6 mA/cm-2增加到“真空J-E处理”后的3.6 mA/cm-2。这种场发射电流密度的增大可能是因为镍纳米锥表面和尖端吸附的残余气体被解析掉。我们对其再进行10次场发射循环试验之后，场电子发射电流密度维持在3.6 mA/cm-2，没有较大的波动。对于镍纳米锥的开启电场和场增强因子来说，类似的现象被观察到。例如，镍纳米锥的场增强因子从“真空J-E处理”前的3 720增加到“真空J-E处理”后的6 910，且在后续的场发射试验中较为稳定，如图5.3.11（C）所示。

图5.3.10　空气暴露后的镍纳米锥的场电子发射机理示意图

（A）镍纳米锥；（B）氮分子；（C）焦耳加热