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摘要

石墨烯具有优异的电学、热学和力学特性以及丰富的电子隧穿边缘, 是场发射阴极的良好材料. 本文通过调控化学气相沉积法制备石墨烯的生长参数, 分别制备了单层石墨烯薄膜、石墨烯岛、有缓冲层石墨烯等3种形貌石墨烯, 探究了, 并结合COMSOL多物理场仿真分析了机制. 实验结果表明, 相比于单层石墨烯薄膜, 石墨烯岛和有缓冲层石墨烯的开启场强分别降低至5.55 V/μm和5.83 V/μm, 最大场发射电流密度也分别提升至40.3 μA/cm ²和26.4 μA/cm ². 另一方面, 在基底上连续分布的单层石墨烯薄膜和有缓冲层石墨烯场发射电流更稳定, 在5 h的测试中, 电流密度分别仅下降2%和4%. 结合仿真结果可知, 石墨烯的形貌特征对其场发射过程中的电场分布特性和散热能力具有重要的影响. 石墨烯岛和有缓冲层石墨烯存在边界结构, 使得场发射过程中局部电场集中, 进而提升了场发射性能. 石墨烯岛在基底上离散分布, 未形成连续石墨烯薄膜, 缺乏焦耳热横向散热通道, 热量的积累将导致石墨烯岛发射体受到损伤, 并影响其场发射电流稳定性. 本文探究了, 并分析了相关影响机制, 对石墨烯材料场发射性能的提高具有重要的意义.

关键词:

Abstract

Graphene is one of the most potential field emission cathode materials due to its excellent electrical, thermal, and mechanical properties, as well as rich edge structures. In this paper, we study the growth parameters of graphene prepared by chemical vapor deposition, and prepare three kinds of morphologies of graphene: single-layer graphene, graphene islands, and graphene with buffer layers, and then we explore the influence of the morphological characteristics of graphene on its field emission properties, and analyze the mechanism of influence of the morphological characteristics of graphene on its field emission properties through COMSOL. Comparing with single-layer graphene, the turn-on field of graphene islands and that of graphene with buffer layers decrease to 5.55 V/μm and 5.85 V/μm, respectively. The current densities also increase to 40.3 μA/cm ²and 26.4 μA/cm ², respectively. On the other hand, the field emission currents of single-layer graphene and graphene with buffer layers are more stable. In a 5-hour test, the current densities only decrease by 2% and 4%, respectively. COMSOL simulation shows that the morphological characteristics of graphene have significant influences on the electric field distribution characteristics and heat dissipation capacity. Graphene islands and graphene with buffer layers have exposed edges, leading to local electric field concentration, and thus improving field emission properties. The graphene islands are distributed discretely on the substrate, forming no continuous graphene film and lacking transverse heat dissipation channels, so the accumulation of heat will cause damage to the graphene emitter, and affect the stability of its field emission current. This study will be of great benefit to the understanding of the influence of the morphological characteristics of graphene on its field emission properties, and improving the field emission properties of graphene materials.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:孟国栋,gdmengxjtu@xjtu.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 51977169)、中央高校基本科研业务费(批准号: xzy012023152, xtr062023001)和电工材料电气绝缘全国重点实验室中青年基础研究创新基金(批准号: EIPE22315)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Meng Guo-Dong,gdmengxjtu@xjtu.edu.cn

Funds:Project supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51977169), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant Nos. xzy012023152, xtr062023001), and the State Key Laboratory of Elec-trical Insulation and Power Equipment, China (Grant No. EIPE22315).

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石墨烯形貌类型	生长温度/ ℃	甲烷浓度/ sccm	氢气浓度/ sccm	生长时间/ min
单层石墨烯薄膜	1030	2	20	5
石墨烯岛	1030	2	30	5
有缓冲层石墨烯	1030	5	20	5

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