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兰州化物所:摩擦纳米发电机驱动冷阴极研究

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。

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。中科院兰州化物所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1)。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,相关结果以“Field emission cathode based on three-dimensional framework carbonand its operation under the driving of a triboelectric nanogenerator”为题近期发表在Nano Energy, 49, 308 (2018)。该论文作者为:陈江涛,杨兵军,Yu Dian Lim,苏利军,杨娟,郭瑞生,Beng Kang Tay,阎兴斌。

 兰州化物所:摩擦纳米发电机驱动冷阴极研究图1 (a) 冷阴极直流连续驱动下发射特性,(b和c) TENG驱动冷阴极示意图,(d和e) TENG输出特性,(f) 场发射电流及(g)TENG驱动冷阴极发射荧光斑点。

 中科院兰州化物所阎兴斌研究员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,可满足不同真空电子器件的使用要求。相关结果发表在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 Letters 105, 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)等杂志上。

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和兰化所“一三五”规划项目的支持。

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