模拟研究常闭和常开工作模式下的平面栅极型碳纳米管场发射电子源(2)

　　为了近一步讨论问题的方便,假定碳纳米管场发射起始的开启电场为2.5V·μm- 1 、正常工作所需要的阈值电场为3.5 V·μm^{- 1} 。图2 计算结果显示在Va = 1000V、Vg 为0 时,阴极斑条表面的电场强度均小于2.5V·μm^{- 1} ,可以认为该电子源处于关闭状态(发射电流很小) 。在Va = 1000V、Vg = 120V 时,阴极斑条表面的电场强度分布非常不均匀,边缘区域的电场超过了碳纳米管的阈值电场强度,而中间区域却依然低于碳纳米管的阈值电场强度。依照Fowler 公式,这种电场强度的分布导致了边缘处的碳纳米管具有超过了碳纳米管阈值电流很大的场发射电流,而很大面积的中间区域上碳纳米管的场发射电流还未达到阈值电流,场发射电流在整个阴极斑条上分布极其不均匀。为了使尽可多的中间区域上的碳纳米管获得更有效的发射,只能进一步增大栅极电压,这将导致边缘处的碳纳米管处于更高的外加电场,具有更高的场发射电流。以前的研究结果表明,当碳纳米管场发射电流远大于阈值电流时极易发生烧毁的现象,因此该电子源中阴极电极斑条边缘区域的碳纳米管也极易烧毁,从而减少场发射体的数目,引起场发射电流衰减。我们以前的实验研究结果显示常闭模式下该电子源存在电流迅速衰减的现象,其产生可归因于这种电场分布不均匀造成的,并且此电场分布不均匀导致的电流衰减是该电子源在常闭工作模式下固有存在的,无法消除。

图2 　常闭工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中的每个阴极电极斑条表面的电场分布的计算结果(计算的边界条件为: Va 为1000V、Vg 为0～120V)

图3 　常开工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中的每个阴极电极斑条表面的电场分布的计算结果(计算的边界条件为: Va 为1700V、- Vg 为0 -120V)

　　针对上述电流衰减问题,本文提出将常开型工作模式应用于平面栅极型场发射电子源。为了证实常开型工作模式的可行性,模拟计算了常开工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中阴极电极表面的电场分布。图3 为常开工作模式下该电子源中的每个阴极电极斑条表面的电场分布的计算结果。计算时的边界条件为: Va 为1700V、Vg 为负,大小变化为0 - 120V。从图3 可以看出,Va 为1700V、Vg 为0 时,整个阴极电极斑条表面所有位置的电场强度均大于碳纳米管的阈值电场,可以使阴极电极斑条上所有位置的碳纳米管场发射电流大于阈值电流,均获得了有效发射;同时,随着Vg 的增大,所有位置的电场强度均相应减小;当Vg 变化到- 120V的时候阴极电极斑条上所有位置的电场强度均小于碳纳米管的开启电场,即所有位置上的碳纳米管的场发射被关闭(发射电流很小) 。依照Fowler 公式,上述计算结果证实常开工作模式该电子源具有良好的栅控能力,即栅极负电压能够抑制和关闭碳纳米管的场电子发射,可作为该电子源的工作模式。进一步分析,在所有位置的碳纳米管达到工作所需要的阈值发射电流时( Va 为1700V、Vg 为0) ,整个阴极电极斑条表面的电场强度虽然也具有一定的分布,边缘区域大于中间区域的电场强度;但相对于常闭工作模式边缘区域与中间区域的电场强度的差值并不是很大,有利于解决上述常闭工作模式下电子源的电流衰减问题。同时,从图3 还可以看出,当电子源的Va 为1700V、Vg 为- 40V 时,整个阴极电极斑条表面的电场强度基本一致。因此可通过优化阳极电压和电子源的几何参数并使电子源处于一定的负栅极电压下,最终使得电子源中整个阴极电极斑条表面的电场强度均为工作所需要的阈值电场,可以完全消除由于电场分布不均匀引起的电流衰减。

　　上述计算结果证实了常开和常闭工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源都具有良好的栅控能力,均可用于该电子源; 可是对于常闭工作模式下,阴极电极斑条边缘处的碳纳米管易烧毁,导致电子源场发射电流衰减,而常开工作模式有利于解决电流衰减问题,因此更适用于该电子源。

3、结论

　　通过对常闭和常开工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中阴极电极斑条表面电场分布的计算,证实了两种工作模式下该电子源都具有良好的栅控能力。进一步的分析表明常闭工作模式下阴极电极斑条表面电场分布极其不均匀,易导致电子源场发射电流衰减,而常开工作模式下电子源有利于避免电流衰减问题。因此,相对于常闭工作模式,常开工作模式更适用于平面栅极型碳纳米管场发射电子源。