低維納米碳材料場發(fā)射及電子調(diào)制性能的研究.pdf

1、納米碳材料是較好的場發(fā)射冷陰極材料，與其他冷陰極材料如金屬、半導(dǎo)體相比，具有穩(wěn)定性好，易制備，發(fā)射閾值電壓低，發(fā)射電流大，材料結(jié)構(gòu)多樣及導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是低維納米碳材料，如一維的碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)、二維的石墨烯（graphene）等已成為研究的熱點(diǎn)。納米碳材料場發(fā)射可應(yīng)用于平板顯示器、微波功率放大器、X射線管等器件。但是，由于以下幾個原因，納米碳材料仍未得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用:1.納米碳材料的開啟場強(qiáng)

2、依然過高，發(fā)射電流密度過低，穩(wěn)定性差，影響到器件的可靠性和穩(wěn)定性。2.在常柵極三極結(jié)構(gòu)中，調(diào)制電極（柵極）的制作需要依靠微納米工藝來完成，極大地增加了工藝的復(fù)雜性和成本。3.在場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中，柵極電壓過高，影響到電子調(diào)制的靈敏度，嚴(yán)重制約著納米碳材料在場發(fā)射器件中的應(yīng)用。4.場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中，發(fā)射電流和電子發(fā)射效率（陽極電流/陰極發(fā)射電流）過低，不能滿足應(yīng)用要求。本論文圍繞著提高納米碳材料的場發(fā)射性能，改進(jìn)場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的電子調(diào)制性能

3、這兩個關(guān)鍵問題展開，旨在降低場發(fā)射器件結(jié)構(gòu)制作的工藝復(fù)雜性，降低柵極調(diào)制電壓，增大場發(fā)射電流和電子發(fā)射效率，以推進(jìn)它在大電流密度場發(fā)射器件中的應(yīng)用。本文主要的研究工作及成果如下:
　　1.定向碳納米管的優(yōu)化制備及其場發(fā)射性能改善
　　以單根碳納米管生長為研究對象，討論了生長溫度，催化劑種類和催化劑顆粒尺寸對定向生長的碳納米管結(jié)構(gòu)、形貌的影響，獲得制備高長徑比碳納米管的生長條件。通過三種不同催化劑Fe，Co，Ni的比較，優(yōu)化制

4、備了六邊形定向碳納米管陣列。測定其二極結(jié)構(gòu)場發(fā)射性能，最大電流密度為2.014A/cm2，開啟場強(qiáng)僅為1.2V/μm，與國際上相關(guān)文獻(xiàn)報道的不同圖案的定向碳納米管場發(fā)射性能相比，有效地降低了開啟場強(qiáng)，并使發(fā)射電流密度有很大提高。
　　2.碳納米管支撐石墨烯的場發(fā)射特性研究
　　結(jié)合定向碳納米管生長，提出了利用碳納米管的一維結(jié)構(gòu)特性，支撐石墨烯，使石墨烯置于碳納米管陣列頂部，利用由此產(chǎn)生的石墨烯凸起的尖端和邊緣的作用，特別是石

5、墨烯邊緣的作用，改進(jìn)石墨烯的場發(fā)射特性。與國際上報道的石墨烯場發(fā)射性能相比，有效地提高了石墨烯的場發(fā)射電流密度和降低了開啟場強(qiáng)，最大電流密度為2.8mA/cm2，開啟場強(qiáng)僅為1.8 V/μm。
　　3.平面三極結(jié)構(gòu)電子調(diào)制性能研究
　　以定向生長六邊形碳納米管發(fā)射體為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種可同步制作碳納米管柵極和發(fā)射體的新型場發(fā)射平面三極結(jié)構(gòu)及工藝方案，解決碳納米管發(fā)射體生長過程中對傳統(tǒng)金屬柵極電極造成損壞的問題，保證了器

6、件的完整性。對不同高度的碳納米管柵極通過實(shí)驗和計算機(jī)模擬，對發(fā)射陣列的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，獲得平面三極結(jié)構(gòu)的陽極電流密度能夠達(dá)到1.4A/cm2，對應(yīng)的柵極電壓僅為32V，調(diào)制電壓范圍（開啟電壓至最大陽極電流對應(yīng)的電壓）為8V～32V，與國際上報道的具有相似場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)相比，極大地降低了調(diào)制電壓。這對于碳納米管陰極在場發(fā)射器件中的實(shí)際應(yīng)用有著重要意義。該研究成果發(fā)表于IEEE Electron Device Letters，201

7、4，35(1):126-128上。
　　4.表面?zhèn)鲗?dǎo)結(jié)構(gòu)電子調(diào)制性能優(yōu)化
　　針對以金屬銀電極為一次電子發(fā)射材料，氧化鋅為二次電子發(fā)射材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中存在的陽極電流過低（＜50μA）、柵極調(diào)制電壓過高（開啟電壓＞100V）、電子發(fā)射效率過低(＜60％)的問題，提出了以碳納米管為一次電子發(fā)射材料，氧化鋅/氧化鎂為二次電子發(fā)射材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)場發(fā)射結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。通過計算模擬和實(shí)驗論證，發(fā)現(xiàn)在發(fā)射體中摻雜適量的具有高二

8、次電子發(fā)射系數(shù)的氧化鎂，能夠大幅降低柵極電流，增大陽極電流，其最大陽極電流為1.2mA，開啟電壓為48V，調(diào)制電壓范圍為48V～90V。該系列研究成果發(fā)表于Applied Physics Letters，2008，93(25):p.253501;Physica Status Solidi C,2012,9(1):70-73上。
　　在利用石墨烯場發(fā)射的邊緣效應(yīng)的特點(diǎn)，將其邊緣作為場發(fā)射陰極以提高柵極對石墨烯陰極電子發(fā)射的調(diào)制效果的

9、基礎(chǔ)上，提出了基于石墨烯的表面?zhèn)鲗?dǎo)場發(fā)射結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是以定向生長碳納米管為基礎(chǔ)，以碳納米管-石墨烯復(fù)合材料為一次電子發(fā)射材料，結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)，以氧化鋅為二次電子發(fā)射材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)場發(fā)射結(jié)構(gòu)。其最大陽極電流為1.6mA，開啟電壓降低至32V，比未采用石墨烯的表面?zhèn)鲗?dǎo)結(jié)構(gòu)的電壓降低了33％，調(diào)制電壓范圍為32V～60V，有效地提高了電子調(diào)制靈敏度，電子發(fā)射效率達(dá)到90％以上。為了驗證表面?zhèn)鲗?dǎo)結(jié)構(gòu)的電子調(diào)制性能，制備了320×240像素的場