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单根准一维纳米结构(纳米线/纳米尖)在几何上具有高径比大、尖端曲率半径小的特点,在扫描探针显微镜、生物探针以及场发射点电子源等领域有着重要的潜在应用。要实现上述应用,其中的一个关键技术难点就是如何实现单根纳米线/尖的操控和组装。因此,有关单根纳米线/尖的操控和组装及其光电特性的表征,是目前备受关注的一个研究热点。在本论文中,我们发明了一种微纳结构组装方法,实现了单根氧化钨纳米尖在钨微针尖上的组装。我们还对组装结构的物性进行了表征,同时研究了单根氧化钨纳米尖应用于场发射点电子源的可行性。论文的主要研究内容及成果可概述如下:
1.自主发明设计并搭建了一套单根准一维纳米结构的微纳组装系统。利用该系统,我们首次采用激光点焊的方法成功地将单根氧化钨纳米尖组装在了钨微针尖上。所组装的单根纳米尖与钨微针尖之间具有熔融接触,焊接点牢固。这为单根纳米尖的进一步应用打下了基础。
2.对组装在钨微针尖上的单根氧化钨纳米尖的物性进行了表征,包括刚性、组装可靠性、电导特性以及显微拉曼。结果表明,激光点焊微纳组装方法实现了单根纳米尖的可靠牢固组装,同时,激光点焊组装的高温过程会使氧化钨纳米尖靠近焊接点的部位发生部分氧化。
3.研究了组装在钨微针尖上的单根氧化钨纳米尖的场致电子发射特性。结果表明其场发射开启电场为0.35 MV/m。在外加电场强度为0.4 MV/m时发射电流可达0.8μA,对应的发射电流密度约为1.02×10<8>A/m<2>,发射电流稳定性达4﹪。
4.在对单根氧化钨纳米尖场发射击穿机理的研究中,我们发现了氧化钨纳米尖从分节处发生真空击穿的现象,我们认为节点处的电子散射是导致这个现象的物理原因。
5.通过引入氩气保护装置对激光点焊微纳组装系统进行了改进,解决了前期出现的氧化问题。