石墨烯等二维功能材料的场发射特性研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

场致发射阴极材料的研究进展述评

摘要

场发射理论自1928年建立以来，一直是国内外研究的热点之一。场致电子发射又称为冷阴极电子发射，具有瞬时启动、大电流、低功耗、冷发射等特点，在显示领域和真空电子器件领域有广阔的应用前景。近年来，国内外相关研究人员一直在寻找良好的场发射阴极材料并探索通过改变其结构形貌及组成，获得具有更加优异的场发射性能及场发射稳定性的阴极材料。本文主要介绍了场致发射原理，简要概括了场发射材料的发展史，并对氮化碳、石墨烯这两种场发射材料的研究现状进行了综述。

关键词：场致发射；场发射材料；场发射性能；氮化碳；石墨烯

1 场发射原理

1.1电子发射理论

固体内部电子获得一定能量后，克服表面势垒从材料表面逸出到真空的现象称为电子发射。在常态下，固体内部的电子由于受原子核的吸引被束缚，不具有足够的能量克服表面势垒而逸出材料表面。要使电子逸出固体表面，就必须通过外界的激发给予足够能量，常见的激发方式有光辐射、外加电场、升高温度和高能电子轰击。功函数（又称逸出功）是电子从固体内部释放出来所需要的最小能量，是评估发射电子材料的一个重要参数。

根据外部激发方式的不同，电子发射可分为热电子发射、光电子发射、次级电子发射和场致电子发射四种类型^[1]。前三种激发方式主要是通过升高温度、光辐射或者进行高能电子的轰击，激发后固体内部电子的能量大大增加，电子获得的能量高于材料表面势垒时，逸出材料表面，这个过程中材料的表面势垒并未发生变化。场致发射则不需要给内部电子提供能量，而是通过外加电场使表面势垒的高度下降、宽度变窄，使固体内部电子以原有能量通过“隧道效应”穿过表面势垒而逸出。场致电子发射能够提供高达 10⁷m A/cm²的电流密度，不需要给电子附加能量、没有时间迟滞现象，是一种非常有效的电子发射方式。但场发射需要较高的外加电场，稳定性较差，发射电流较小，发射材料寿命还不长，因此找到发射稳定、发射电流较大、寿命较长的阴极发射材料是当前研究的热点。

1.2金属场致发射原理^[2]

在金属表面外加电场，金属表面的势垒降低，电子容易越过势垒从金属表面逸出。当外加电场较小时，可以只考虑势垒高度对结果的影响，其结果符合经典电磁理论的肖特基理论。当外加的电场较大时，势垒高度降低，势垒宽度变窄，不仅能量大于表面势垒的电子可以逸出，能量低于表面势垒的电子也有可能逸出。当势垒的宽度窄到与电子波长相比拟时，由于电子的隧穿效应，在绝对零度的条件下，部分电子也能越过表面势垒逸出。量子力学理论阐述：电子具有波粒二象性，金属内部电子的能量高于表面势垒时，可以逸出金属表面形成电子发射；金属内部电子的能量低于表面势垒也可以穿越势垒而被发射，低能量电子穿越势垒的现象称为隧穿现象^[3]。