兰州化物所碳基纳米材料冷阴极研究取得进展

场发射冷阴极作电子源的真空电子器件具有结构简单、响应快、无辐射抗干扰、功耗低和工作温度区间宽等特点，有望实现器件频率和功率的突破以及整体性能的提升。场发射冷阴极作为真空微电子器件的核心部件，其性能的好坏直接影响着器件的整体性能。冷阴极材料的选择、制备及场发射性能对冷电子源真空器件的性能和寿命具有至关重要的影响。与其他材料相比，碳基材料（如碳纳米管、石墨烯等）表现出较为优异的场发射性能。

中科院兰州化物所阎兴斌研究员（点击查看介绍）领导的团队一直致力于碳基纳米材料冷阴极的构筑及性能研究，先后对石墨烯、碳纳米管等碳基冷阴极进行了研究，并获得了具有优异发射特性的冷阴极（图1），可满足不同真空电子器件的使用要求。相关结果包括：Science China Materials, 2017, 60, 335; Nanotechnology, 2016, 27, 445707; Applied Physics Letters, 2016, 108, 193112; Applied Surface Science, 2015, 357, 1; Nanoscale Research Letters, 2015, 10, 483; Applied Physics Letters, 2014, 105, 213111; Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16, 1850; AIP Advances, 2012, 2, 022101; Applied Physics Letters, 2011, 99, 173104; Applied Physics Letters, 2011, 99, 163103。

图1. 丝网印刷碳纳米管冷阴极场发射性能。

目前，场发射冷阴极都由直流连续或脉冲高压电源驱动，此类电源设备不仅价格昂贵、体积大、笨重，而且安全性较差，限制了冷阴极器件的进一步小型轻量化及便携化。寻找一种新的冷阴极驱动方式是很有必要的，也可满足不同工况下的使用需求。摩擦纳米发电机（TENG）基于摩擦起电以及静电感应原理，利用材料间摩擦引起的电荷转移，可将环境中的机械能转化成电能，实现能量收集和转换。TENG 可输出高电压及一定功率，可满足低压开启冷阴极的工作要求。阎兴斌研究员领导的团队采用三维网络碳制备了在直流连续电源驱动下具有良好发射性能的冷阴极；同时，研究人员尝试采用具有高压输出的TENG（最高输出电压800 V）来驱动三维网络碳冷阴极（图2示意图）。实验发现，采用TENG的高压输出完全可以实现冷阴极的电子发射，同时通过场发射电子轰击荧光屏可以观测到均匀的、持续的光斑，证实了采用TENG作为持续电能供给来驱动冷阴极的可行性。此工作为冷阴极真空电子器件进一步小型轻量化以及自驱动化提供可能。

图2. TENG驱动3D网络碳冷阴极示意图。

该系列研究工作得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金项目（51002161）和兰化所“一三五”规划项目的支持。

该论文作者为：Jiangtao Chen（陈江涛）, Bingjun Yang（杨兵军）, Yu Dian Lim, Lijun Su（苏利军）, Juan Yang（杨娟）, Ruisheng Guo（郭瑞生）, Beng Kang Tay, Xingbin Yan（阎兴斌）

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Field emission cathode based on three-dimensional framework carbon and its operation under the driving of a triboelectric nanogenerator

Nano Energy, 2018, 49, 308, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.052

陈江涛副研究员介绍

陈江涛，副研究员，2004年本科毕业于河北师范大学，2009年于兰州大学物理科学与技术学院获理学博士学位，同年7月进入中科院兰州化学物理研究所工作，曾获甘肃省李政道奖学金（2009年）。陈江涛副研究员一直致力于碳基纳米材料合成及其在场发射冷阴极电子器件中的应用研究，在Advanced Energy Materials、Nano Energy、Applied Physics Letters、Sensors and Actuators B 及Carbon等杂志发表论文40余篇。

http://www.x-mol.com/university/faculty/16737

阎兴斌研究员介绍

阎兴斌，研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”学者、中科院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室主任、中国科学院特聘研究员（特聘骨干人才）。2000年本科毕业于山东大学，2005年于中科院兰州化学物理研究所获理学博士学位，同年8月至2008 年底先后在新加坡南洋理工大学和法国里昂第一大学做博士后，2009年回到中科院兰州化学物理研究所工作。主要从事新型碳纳米材料可控制备和电化学储能技术的研究；分别获得中科院院长优秀奖、新加坡千禧基金、欧盟玛丽居里国际奖学金、新加坡杰出工程成就奖、甘肃省五四青年奖章、国家科技发明二等奖等；至今在国际SCI学术刊物上发表论文150余篇，引用5600余次，H因子43；现任《Chinese Chemical Letters》编委、中国电工学会超级电容器专业委员会委员、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、国际电化学能源科学与技术协会（IAOEES）理事。

http://www.x-mol.com/university/faculty/16722