定向碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與場發(fā)射性能研究.pdf

1、定向碳納米管(CNTs)陣列展示了良好的場發(fā)射性能,可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,例如場發(fā)射平板顯示器、冷陰極X射線管和微波放大器等。但是,目前對定向碳納米管陣列的研究工作依然沒有使其得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在發(fā)射電流和工作壽命等方面仍然存在一定的問題。如何改進(jìn)定向碳納米管陰極的性能是要解決的首要問題;設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三極結(jié)構(gòu)則是能否制備出實(shí)際器件的關(guān)鍵所在。因此,本文的研究工作圍繞定向碳納米管陣列的制備、場發(fā)射性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開,目的是提高其性能以促進(jìn)

2、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可概括如下:
　　 1.首先研究了采用熱氣象化學(xué)沉積(TCVD)技術(shù)制備定向碳納米管,由于目前的TCVD法制備的定向碳納米管陣列的圖案單元尺寸過大(直徑幾十微米以上),從而影響其發(fā)射性能。因此,本文通過電子束光刻技術(shù)輔助制備出單元直徑約為1μm的陣列,并獲得了良好的場發(fā)射性能;考慮到該陣列存在一定的取向性問題,本文提出了網(wǎng)狀定向碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的概念,并制備出了相應(yīng)的發(fā)射

3、體,測試結(jié)果表明這種陣列發(fā)射體具有低驅(qū)動電場,高電流密度等優(yōu)點(diǎn)。閾值場強(qiáng)(電流密度為1mA/cm2時的宏觀電場)僅為1.1V/μm,當(dāng)電場為11.5V/μm時,總電流達(dá)到了5mA,對應(yīng)發(fā)射電流密度達(dá)到了5.5A/cm2。與文獻(xiàn)報(bào)道的具有相似平均發(fā)射電流密度水平的碳納米管陰極相比,發(fā)射總電流有了較大提高,這對碳納米管陰極的在大功率器件中的實(shí)用化有重要意義。該成果已經(jīng)被發(fā)表于Applied Physics Letters。
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4、.考慮到用TCVD法制備碳納米管陣列時,雖然宏觀呈現(xiàn)良好取向性,然而細(xì)化到內(nèi)部的每根碳納米管,卻發(fā)現(xiàn)其排列有一定的無序性,本文研究了采用等離子增強(qiáng)的CVD(PECVD)法制備微觀取向性更好的定向垂直碳納米管陣列,并通過控制催化劑點(diǎn)的尺寸制備出長徑比更優(yōu)的單根碳納米管陣列。由于碳納米管陣列的形貌將會影響其場發(fā)射性能,因此本文設(shè)計(jì)并制備出了兩種不同面積大小的碳納米管陣列,進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)并對其進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)場發(fā)射測試,結(jié)果表明,邊緣效應(yīng)和碳納米管

5、尺寸上的差異導(dǎo)致了發(fā)射的不均勻性;受到上述工作的啟發(fā),提出了兩種方案來提高發(fā)射電流密度:(1)增強(qiáng)邊緣效應(yīng);(2)平衡同一陣列每根碳納米管的發(fā)射電流;然后基于第一種方案,設(shè)計(jì)了一種整體圖案為長方形的陣列場發(fā)射體,測試結(jié)果表明它具有良好的場發(fā)射性能,當(dāng)電場為9V/μm時,總電流達(dá)到1.1mA,對應(yīng)發(fā)射電流密度達(dá)到了1.2A/cm2。
　　 3.基于上述第二方案,提出了利用氧化鋅(ZnO)納米線的半導(dǎo)體特性來平衡同一陣列每根碳納米管

6、的發(fā)射電流的方法,針對目前技術(shù)方法制備出的氧化鋅碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)多為隨機(jī)取向,會在一定程度上影響其發(fā)射電流穩(wěn)定性、壽命等性能,本文設(shè)計(jì)并制備了一種氧化鋅納米線與定向碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列,并對其進(jìn)行模擬計(jì)算和一系列的性能測試,計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的場發(fā)射性能,與單純碳納米管陣列相比,開啟場強(qiáng)下降了70％,閾值電壓下降了50%,而且穩(wěn)定性更高。該成果已經(jīng)被發(fā)表于Applied Physics Letters。
　　

7、 4.三極結(jié)構(gòu)是場發(fā)射器件制備過程中的難點(diǎn),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(diǎn)后,結(jié)合已有的制備工藝,提出了一種基于SOI場效應(yīng)管控制的背柵極式三極結(jié)構(gòu)定向碳納米管場發(fā)射陣列;同時還給出了這種結(jié)構(gòu)的工作模式,并模擬計(jì)算得到了良好的柵極調(diào)制效果。通過精確定位的電子束光刻技術(shù),成功制備了單根碳納米管陣列三極結(jié)構(gòu)發(fā)射體并進(jìn)行了場發(fā)射測試。測試電壓設(shè)定在0～-80V間得到了明顯的調(diào)制效果,并與模擬計(jì)算相符合。由于串聯(lián)了場效應(yīng)管,單根碳