TENG驅動3D網路碳冷陰極示意圖
場發射冷陰極作電子源的真空電子器件具有結構簡單, 響應快, 無輻射抗幹擾, 功耗低和工作溫度區間寬等特點, 有望實現器件頻率和功率的突破以及整體性能的提升. 場發射冷陰極作為真空微電子器件的核心部件, 其性能的好壞直接影響著器件的整體性能. 冷陰極材料的選擇, 製備及場發射性能對冷電子源真空器件的性能和壽命具有至關重要的影響. 與其他材料相比, 碳基材料 (如碳納米管, 石墨烯等) 表現出較為優異的場發射性能.
中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室低維材料與化學儲能課題組一直致力於碳基納米材料冷陰極的構築及性能研究, 先後對石墨烯, 碳納米管等碳基冷陰極進行了研究, 並獲得了具有優異發射特性的冷陰極, 可滿足不同真空電子器件的使用要求. 相關結果發表在SCIENCE CHINA Materials 60, 335(2017), Nanotechnology 27,445707(2016), Applied Physics Letters 108,193112(2016), Applied Surface Science 357,1(2015), Nanoscale Research Letters 10, 483(2015), Applied Physics Letters105, 213111(2014), Physical Chemistry Chemical Physics, 16,1850(2014), AIP Advances 2, 022101(2012), Applied Physics Letters 99,173104(2011)及Applied Physics Letters 99, 163103(2011)等雜誌上.
目前, 場發射冷陰極都由直流連續或脈衝高壓電源驅動, 此類電源設備不僅價格昂貴, 體積大, 笨重, 而且安全性較差, 限制了冷陰極器件的進一步小型輕量化及便攜化. 尋找一種新的冷陰極驅動方式, 從而滿足不同工況下的使用需求, 迫在眉睫.
摩擦納米發電機 (TENG) 基於摩擦起電以及靜電感應原理, 利用材料間摩擦引起的電荷轉移, 可將環境中的機械能轉化成電能, 實現能量收集和轉換. TENG可輸出高電壓及一定功率, 可滿足低壓開啟冷陰極的工作要求. 蘭州化物所研究人員採用三維網路碳製備了在直流連續電源驅動下具有良好發射性能的冷陰極; 同時, 研究人員嘗試採用具有高壓輸出的TENG (最高輸出電壓800 V) 來驅動三維網路碳冷陰極.
實驗發現, 採用TENG的高壓輸出完全可以實現冷陰極的電子發射, 同時通過場發射電子轟擊熒光屏可以觀測到均勻的, 持續的光斑, 證實了採用TENG作為持續電能供給來驅動冷陰極的可行性. 此工作為冷陰極真空電子器件進一步小型輕量化以及自驅動化提供可能, 相關結果線上發表於Nano Energy, 49, 308 (2018). 論文共同第一作者為陳江濤, 楊兵軍和林宜典 (新加坡南洋理工大學) , 通訊作者為閻興斌.
該系列研究工作得到了中科院 '百人計劃' , 國家自然科學基金項目 (51002161) 和蘭州化物所 '一三五' 規劃項目的支援.
