場發(fā)射顯示器的陰極分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計.pdf

1、場發(fā)射顯示器件是真空微納電子器件及納米材料應(yīng)用研究的熱點之一。進入九十年代以后，納米材料的發(fā)展為場發(fā)射顯示器的研究提供了更多性能優(yōu)異的可選擇材料。由于大面積平板顯示成為當前市場的發(fā)展主流，則從制備工藝和成本考慮，絲網(wǎng)印刷技術(shù)為制備大面積場發(fā)射顯示器件提供一種高效、廉價的途徑。而為了實現(xiàn)低壓調(diào)制和提高亮度，設(shè)計和發(fā)展三極結(jié)構(gòu)的場發(fā)射顯示器件是一個必然的研究方向。 現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷型場發(fā)射顯示器件遠未達到應(yīng)用的要求，對它的研究也處于初

2、級階段。如何提高絲網(wǎng)印刷后無序的納米材料陰極的發(fā)射性能是場發(fā)射顯示器件中要解決的首要問題；設(shè)計并實現(xiàn)三極結(jié)構(gòu)則是制備出器件的關(guān)鍵所在。因此，本論文的研究圍繞著場發(fā)射顯示器件制備中的兩個關(guān)鍵性問題展開：絲網(wǎng)印刷型陰極及其相應(yīng)的器件三極結(jié)構(gòu)。本論文的主要工作及成果可概括如下； 1．回顧了場致發(fā)射的基本原理Fowler-Nordheim（FN）公式，參考并總結(jié)了對FN公式的相關(guān)修正，結(jié)合實驗室中獲得的絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極的發(fā)射實驗數(shù)

3、據(jù)，發(fā)現(xiàn)FN公式用于解釋該發(fā)射實驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差。由此提出了絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極發(fā)射的物理模型，并分別從發(fā)射體溫度、絲網(wǎng)印刷型陰極表面狀況和材料的功函數(shù)三個方面對經(jīng)典的FN公式用于解釋絲網(wǎng)印刷型厚膜陰極發(fā)射機理加以補充說明。應(yīng)用數(shù)值模擬的方法論證了該物理模型中陰極表面的平均場增強因子隨著電壓的升高而下降的趨勢，亦即很多文獻報道過的FN曲線在高電場下“上翹”的結(jié)論。 2．通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備大面積場發(fā)射顯示用陰極已經(jīng)發(fā)展了近

4、十年時間，但如何提高該類陰極的發(fā)射性能是問題的關(guān)鍵。本文提出了將鋅粉添加到碳納米管漿料中，將在高溫下抑制碳納米管的氧化問題，并結(jié)合表面酸刻和超聲的工藝，對絲網(wǎng)印刷型碳納米管表面進行改善和清潔處理，使得絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極的場發(fā)射性能得到明顯的改善。 3．考慮到四針狀氧化鋅在經(jīng)過大面積制備后發(fā)射尖端能自發(fā)有序排列的優(yōu)點，采用絲網(wǎng)印刷四針狀氧化鋅結(jié)構(gòu)的方法來制備氧化鋅冷陰極并進行了場發(fā)射的測試。發(fā)現(xiàn)了絲網(wǎng)印刷工藝過程將會大量折斷脆

5、弱的四針狀針尖或針須，從而絲網(wǎng)印刷四針氧化鋅陰極的發(fā)射性能將大打折扣。引入了旋涂工藝制備表面均一的四針狀氧化鋅陰極，使得該陰極的開啟場強和閾值場強得到極大的降低，并通過將碳納米管混入四針狀氧化鋅漿料中作為改善電子傳輸介質(zhì)，有效的改善了陰極電子傳輸性能，制備得到性能優(yōu)異的混合式冷陰極，該陰極的開啟場強低至0．6V/μm，閾值場強為1．5V/μm。 4．在陰極的測試過程中考慮到器件放氣的因素，采用了氣體放電的原理解釋了打火、電流不穩(wěn)

6、定、真空擊穿及器件損壞等一系列現(xiàn)象。提出了一種將高溫烘烤和電流輔助放氣結(jié)合的綜合老練排氣方法，對陰極進行有效的排氣和老練處理，極大的提高了陰極的最大發(fā)射電流，明顯減少了發(fā)射過程中打火現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證了器件工作的穩(wěn)定性。 5．三極結(jié)構(gòu)是場發(fā)射顯示器件制備過程中的難點，文章綜述了現(xiàn)有的幾種成功的三極結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點后，結(jié)合現(xiàn)有的制備工藝，提出了一種背陰極式場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)并給出數(shù)值計算模型的方法，計算得到良好的調(diào)制效果，并給出這種結(jié)構(gòu)的工