扫描电镜和透射电镜是材料、冶金、生物、医学等许多科学分支中重要的分析工具。为了获得更高的空间、时间和能量分辨率，要求电子显微镜的电子源产生更亮、更相干和更稳定的电子束。与其他类型的电子源相比，冷场发射（CFE）极具有最大的亮度和时间相干性［1］。RB6因为具有低功函数、低高温挥发性、高亮度、高耐化学性和高机械强度等特点，成为电子显微术和电子发射产品中使用的最佳CFE电子源［1-12］。场发射是一种量子隧穿形式［13-19］，其中电子在强电场的作用下经真空从发射材料传递到阳极。这种现象取决于阴极材料本身的性质及其特定的形状。具有更佳宽高比和更锋利边缘的材料产生更大的场发射电流。而场发射正是纳米材料和纳米结构的主要特性之一。与块体材料相比，纳米结构具有许多优势，包括更短的器件激活时间、紧凑性和可持续性［13］。近年来在纳米结构的合成和组装方面取得了很大的进展，使得各种纳米材料的电流密度显著提高，开启电压显著降低。

由给定电场E产生的电流密度J可以由Fowler-Nordheim（F-N）方程描述：

式中，E为外加场强；ϕ为发射材料的功函数；β为引入的场强增强因子，它反映的是任何尖端在平坦表面上的场强增强程度，可以表示为h/r，h和r分别为发射中心曲率的高度和半径，因此具有细长几何形状和尖锐尖端或边缘的材料可以大大增加发射电流。图8.1为场发射现象示意图。发射发生在发射器的尖端，发射电流则根据尖端形态而变化，如圆形尖端、钝形尖端和锥形尖端等。根据式（8.1），发射电流I强烈依赖于发射极材料的功函数、发射极顶点的曲率半径以及发射面积［19］。对于不同的材料，发射电流很大程度上依赖于发射材料的功函数。在特定的场中，具有较低功函数的材料可以产生较大的电子发射电流［13］。

图8.1　场发射现象示意图(www.daowen.com)

（a）圆形尖端；（b）钝形尖端；（c）锥形尖端

正是由于这些原因，纳米晶RB6的制备、场发射性能以及其在纳米技术和器件中的应用越来越受到人们的关注。Zhang等人用催化剂辅助CVD法合成了单个LaB6纳米线，并对其场发射性能进行了测量，结果显示在450 V电压下获得了0.5 pA的场发射电流。LaB6纳米线发射极的场发射特性符合F-N方程所描述的金属蒸发场发射模型，用总发射电流除以有效发射面积，估计800 V电压下的发射电流密度为5×105 A/cm2［20］。与1 800℃、3 000 V引出电压下的最先进W/ZrO热场发射极相比，在800 V引出电压下，LaB6纳米线发射极在室温下提供的电流密度要大一个数量级。LaB6纳米线发射极的电流密度也与碳纳米管场发射极相当，目前被认为是所有纳米管/纳米线发射极中最有前途的场发射极材料。单壁碳纳米管束发射极在相同实验结构下的实验结果表明，其电流密度与LaB6纳米线发射极的电流密度具有相同的数量级［1，21］。

在RB6系列材料中GdB6的逸出功最低，约为1.5 eV。Zhang等人用催化剂辅助CVD法合成了GdB6纳米线，并研究了其场发射特性［22］。横向尺寸约为200 nm的GdB6单纳米线在650 V电压下获得了10 nA的发射电流，并且发射极失灵之前发射电流达到了200 nA。GdB6场发射特性同样符合F-N方程所描述的金属蒸发场发射模型。Xu等人为了研究场发射特性，用无催化剂辅助CVD法合成了LaB6、SmB6及PrB6等系列化合物的纳米结构［23-26］。结果表明，发射电流密度J随外加电场E的增大呈指数增长。随着环境温度从室温升高到573 K，LaB6纳米线的发射电流密度显著增加，估算的场强增强因子β在405～723之间。在不同的环境温度下，LaB6纳米线的有效功函数ϕc=ϕ/β2/3的变化范围为0.047～0.032 eV。对SmB6纳米线来说，在室温以及5.8 V/μm的场下可获得J=0.1 mA/cm2的发射电流密度，而在573 K温度下想要获得相同的发射电流密度则只需要2.9 V/μm的场。PrB6也具有较低的功函数，约为3.12 eV。当环境温度从室温升高到623 K，估算的PrB6纳米棒场强增强因子β在823～1 390之间。在不同的环境温度下，PrB6纳米棒的有效功函数ϕc的变化范围为0.037～0.025 eV。随着环境温度从室温增长到623 K，在7.35 V/μm的场下PrB6纳米棒的发射电流密度从1.2 mA/cm2增加到13.8 mA/cm2。同时，在实验中PrB6纳米棒在室温下1 000 min的发射电流密度没有出现明显的下降。稳定的场发射行为与大规模、均匀的PrB6纳米棒有关，这保证了所考虑的器件中场分布的均匀性。场发射性能的稳定性说明PrB6纳米棒也是一种很有前途的场发射器件候选材料。