场致发射电子源在平板显示器、微波放大器、X射线源和离子推进器等真空电子器件中有重要的应用前景。碳纳米材料,如碳纳米管和石墨烯等,具有较高的机械强度和化学稳定性、优良的导电性和导热性,因此在众多的场发射材料中脱颖而出,成为国内外科学家关注和研究的焦点。但目前碳纳米材料的大电流发射能力、电流均匀性以及大电流的调制灵敏度等性能仍不能满足大功率器件的需求。如何改进并提高碳纳米材料电子源的场发射性能成为该领域需要解决的首要问题,设计并制备新型三极结构以实现更高的电流调制灵敏度则是能否将电子源用于实际器件的关键所在。因此,本文研究工作将围绕场发射电子源的阴极制备、结构设计及性能测试展开,旨在提高其场发射性能,从而促进它在大功率真空电子器件中的应用。本文主要的研究工作及成果可概括如下:1.为了增强碳纳米材料阴极的边缘效应、减小发射体间的电场屏蔽和提高发射体的有效发射面积,本文提出并制备了两种具有规则图案的碳纳米薄膜阴极结构:(1)基于网格状电极的碳纳米管阴极结构,相比在平面电极上制备的碳纳米管阴极,这种阴极的开启场强降低了 71%,阈值场强降低了 74%,在电场强度为5V/μm的时候,总电流达到了 5mA(对应电流密度为5A/cm2)。与参考文献报道的碳纳米管阴极相比,在相似发射电流水平下,驱动场强大幅降低。(2)石墨烯纳米网格阴极,场发射测试结果表明,该阴极结构具有较低的栅极调制电压(0～20V),其最大电流密度达到了 135mA/cm2。与文献上报道的类似石墨烯阴极相比,该阴极结构具有较高的电流调制灵敏度和较大的发射电流密度。这两项成果可以推动碳纳米薄膜阴极在场发射器件中的实际应用,并已经分别发表于《Applied Surface Science》和《IEEE Electron Device Letters》上。2.场发射电子源的电流发射稳定性是影响其实用化的关键因素之一。本文提出并制备出两种三维碳纳米材料/氧化锌的复合结构,利用氧化锌纳米线的半导体特性,获得较高的发射稳定性:(1)三维碳纳米管网格/氧化锌纳米线复合结构,相比单纯三维碳纳米管网格阴极,复合结构阴极的寿命有了很大改善(对比实验表明,在相同测试条件下,80小时内,复合结构的发射电流没有明显跌落,而单纯碳纳米管的发射电流跌落了 60%以上)。(2)三维石墨烯海绵/氧化锌纳米线复合结构,与单纯石墨烯海绵相比,该复合结构的电流波动性从20%左右降低到5%以内,开启场强降低了 50%左右,阈值场强降低了 60%左右。这些成果在一些对电流稳定性要求较高的真空电子器件中有重要应用前景,并已经分别发表于《Thin Solid Film》和《RSC Advances》。3.电流的灵敏调制和电子束的有效聚焦是场发射电子源有待改善的两个关键科学问题。在大功率场发射器件中,通常采用金属栅网作为栅极电极,栅网的开口率(决定电子透过率)与其电子调制聚焦性能相互制约。针对这两个关键问题,本文利用石墨烯厚度薄,机械强度高、导电性好等优点,创新性提出了一种石墨烯/金属栅网复合式栅极结构,并将其应用于场发射三极结构。我们通过详细的模拟计算和实验测试对这种栅极结构的可行性进行了验证。结果表明,与单纯的金属栅网结构相比,采用这种复合式栅网的场发射三极结构的驱动电压降低50%左右,电子透过率提高70%左右,而且电子发散度更低。该成果为进一步发展实用化的真空微纳电子器件提供理论基础和实验支撑,并已经发表于《Advanced Functional Materials》。