高性能场发射体

advs因为在显示器、行波管、微波放大器以及电子显微镜等方面的潜在应用,基于纳米材料的冷阴极场发射受到了高度关注。一直以来,低功函数被认为是获得高性能电子场发射最重要的因素之一。然而,功函数对材料电子场发射的影响原理还没有研究透彻。在传统块体金属系统的研究中,Fowler-Nordheim 理论认为相比于高功函数金属材料,低功函数金属材料具有更大的电流密度。仅仅基于这一理论,大量研究者便将其引入到非金属研究领域,通过降低材料的功函数提高场发射性能。而关于低功函数材料在电子场发射表现上的相对优势的实证研究却很缺乏。

最近,剑桥大学的研究人员Matthew T. Cole等人基于最大范围的元分析系统(meta-analysis),就功函数和发射体维度对材料场发射性能的影响作了全面的分析。为了简化分析,他们将涂膜发射体和多层发射体排除在外,仅以单一材料的发射体为样本,分析了场增强因子与功函数之间的关系以及不同维度材料的开启电场、最大电流密度与功函数之间的关系。通过对自1984年至今发表的有关场发射的112篇文献的分析发现,随着功函数的增加,场增强因子、开启电场以及最大电流密度都没有表现出明显的变化趋势,这说明功函数并不能明显影响材料的场发射性能,还需要综合考虑其他因素。综合比较不同维度的发射体时发现,三维或块状发射体的开启电场是一维和二维发射体的2倍,这说明发射体的形貌可能是材料场发射性能的重要影响因素。另外,作者还分析了可能影响场发射性能的其他因素,例如阴极制备工艺和表面功函数等。相关成果发表在Advanced Science上(10.1002/advs.201500318)。