Advanced Functional Materials
(魏贤龙特聘研究员课题组在微型电子发射阴极研究中取得重要研究进展)

 电子源被认为是真空电子器件的心脏,提供其工作所必需的自由电子束。微型电子源是指利用微加工方法在硅等衬底表面加工所得到的微小电子源或电子源阵列。研制高性能的微型电子源对于提高真空电子器件的性能、研发微纳真空电子器件具有重要的意义。自20世纪60年代微型电子源被提出,一直采用场发射的形式实现,但由于场发射对发射针尖原子结构的依赖性强,所需电场高,且针尖原子结构在强场下不稳定,所以场发射微型电子源存在单个电子源发射性能不可控、阵列均一性差、工作电压高、工作真空度要求高等问题,极大地限制了微纳真空电子器件的性能和应用。

最近,北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室“百人计划”特聘研究员魏贤龙与陈清教授、彭练矛教授合作,利用微加工的方法并采用石墨烯作为热发射材料首次实现了热发射电子源的微型化和阵列化,研制出发射性能可控、工作电压和真空度低、开关速度快、发射电流可调制的微型电子源。相比于场发射微型电子源不可控的发射性能,石墨烯热发射微型电子源的开启电压与石墨烯的尺寸具有特定的依赖关系,可以简便地控制其电子发射特性,即通过控制每个微型电子源具有相同的石墨烯尺寸,实现了发射性能均一的微型电子源阵列。此外,石墨烯热发射微型电子源只需约3 V电压即可开启,远低于场发射微型电子源的开启电压(至少几十伏);并能在10-3 Pa的真空下稳定工作,也远低于场发射微型电子源稳定工作时所需的真空度(<10-6 Pa)。相比于宏观热发射电子源存在的预热延迟,石墨烯热发射微型电子源的开关时间被证实小于1 μs,比宏观热发射电子源的开关时间小56个数量级;更重要的是,石墨烯热发射微型电子源的发射电流可通过栅电极实现高达6个数量级的调制,有望实现电子源阵列的栅控选址开关。与此同时,由于兼具宏观热发射电子源和微型场发射电子源的优点,石墨烯热发射微型电子源为解决当前场发射微型电子源所遇到的瓶颈,实现可实际应用的大规模可选址微型电子源阵列提供了一种新的途径,未来有望应用于X射线管、平板显示器、微波放大器等真空电子器件。信息学院博士研究生吴功涛为第一作者、魏贤龙为通讯作者的相关论文于2016510日在线发表在《自然•通讯》(Nature Communications, 2016: 11513, doi:10.1038/ncomms11513)上。该工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划(“973计划”)、国家自然科学基金、全国优秀博士学位论文作者专项基金的支持。

魏贤龙研究员近年来致力于低维纳米材料电子发射及微纳真空电子器件的研究,取得一系列研究进展。他和合作者实验证实单体一维碳纳米材料在自身电流加热下的热电子发射不满足描述宏观材料热发射的Richardson公式(ACS Nano, 2012, 6, 705-711; Scientific Reports, 2014, 4: 5102),建立了非平衡条件下低维纳米材料电子发射的理论模型,发现一种的新电子发射机制(Nano Letters, 2011, 11(2): 734-739; Physical Review B, 2011, 84(19): 195462; AIP Advances, 2013, 3(4): 042130),并基于低维纳米材料电子源实现了高性能微纳真空三极管(Advanced Functional Materials, 2015, 25: 5972-5978)。

5×5石墨烯热发射微型电子源阵列的扫描电子显微镜照片及其电子发射示意图

Crystal phase- and orientation-dependent electrical transport properties of InAs nanowires
(信息学院陈清教授课题组在纳米材料结构对纳米器件性能影响的研究中取得新进展)

 基于一维纳米材料(如纳米管、纳米线的纳米器件在电子、光电、传感、能源等众多领域有广泛的应用。由于纳米材料的结构(如晶相、直径、取向、手性和掺杂情况等)决定着该材料和相关器件的性能,所以认识结构与性能的关系是发展高性能材料及器件的基础。又由于纳米材料个体差异很大,且制备具有完全同样结构的纳米材料非常困难,因此,将纳米材料的结构与其性能相对应是挑战性很强的关键问题。

北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室陈清教授组长期从事纳米材料及其器件的性能与纳米材料结构之关系的研究,发展了在扫描电子显微镜(以下简称“扫描电镜”)中原位测量单根一维纳米材料物性的方法、原位搭建纳米器件并进行研究的方法,搭建了基于扫描电镜的对单个纳米材料进行多种性能综合测量的平台,研究了碳纳米管和砷化铟(InAs)纳米线的力学、电学和电机等特性与其结构的关系,已取得的一系列相关成果发表在《纳米快报》Nano Letters)、《先进材料》Advanced Materials和《先进功能材料》Advanced Functional Materials等领域权威期刊上。

最近,陈清课题组又发展出一种新方法,可在测量器件性能之后,把作为场效应晶体管(field effect transistor, FET)沟道的纳米线转移到透射电子显微镜中进行原子尺度的结构表征,从而成功实现了纳米器件的性能与其沟道纳米线结构的一一对应;采用该方法首次系统地研究了InAs纳米线的晶相(六方相或立方相)、轴向和直径如何对InAs纳米线FET的开关比、域值电压、亚域值摆幅和有效接触势垒高度等产生影响。该方法将可用于对其它纳米器件的性能影响因素的研究。她们对InAs纳米线FET的研究结果为发展高性能InAs纳米线器件奠定了重要基础。上述成果以《依赖于晶相和方向的InAs纳米线电输运特性》(Crystal phase- and orientation-dependent electrical transport properties of InAs nanowires)为题,于20163月下旬在线发表在《纳米快报》(DOI:10.1021/acs.nanolett.6b00045上;信息学院博士研究生付梦琦为第一作者,陈清为通讯作者。

这项研究得到了国家重大科学研究计划和国家自然科学基金的支持。

北京大学电子学系物理电子学研究所