若干新型場致電子發(fā)射材料的研制及其器件應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、本論文主要研究了平面超薄類金剛石薄膜(diamondlikecarbon，DLC)、頂端定位沉積有DLC薄膜的硅微尖錐(簡稱為DLC尖端)陣列、單根碳納米管陣列、有序單晶硅納米線陣列這四種新型場致電子發(fā)射材料及結(jié)構(gòu)的制備、場致電子發(fā)射特性、場致電子發(fā)射物理機制以及基于上述材料的場發(fā)射器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。目的是探討如何把新型低維冷陰極材料應(yīng)用到大面積襯底上有序排列的場發(fā)射器件結(jié)構(gòu)上，研制新型真空微電子器件。上述研究，可以為理解超薄類金剛石

2、薄膜、碳納米管和單晶硅納米線在特定尺度和特定結(jié)構(gòu)下的場致電子發(fā)射機制提供了實驗和理論補充，對促進上述材料在真空微納電子器件中的應(yīng)用具有重要的意義。 本論文主要有如下三點創(chuàng)新：■發(fā)明了一項微尖錐頂端定位鍍膜技術(shù)，首次研制出類金剛石薄膜尖端真空微電子器件陣列。 采用微尖錐頂端定位鍍膜技術(shù)、硅尖錐表面凈化工藝和超薄類金剛石薄膜可控制備方法，首次研制出DLC尖端陣列場發(fā)射器件。實驗結(jié)果證明DLC尖端場發(fā)射器件陣列是一類具有高發(fā)射

3、電流密度、可低壓驅(qū)動的冷陰極電子源。我們還探討了薄膜頂端對硅微尖錐陣列場發(fā)射的影響及其物理機制。 ■發(fā)明一種制備單根碳納米管陣列的方法。首次在實驗上測量到單根碳納米管的發(fā)射電流密度可達1011A/m2，并揭示了位于硅尖錐頂端的單根碳納米管存在兩種限制其場發(fā)射電流的物理機制。 論文發(fā)明了尖錐頂端一維納米材料定位生長技術(shù)，利用等離子體化學(xué)汽相沉積法，實現(xiàn)了硅微尖錐頂端單根碳納米管陣列的研制。發(fā)展了一種原位場致電子發(fā)射特性和直

4、流電特性表征實驗方法，系統(tǒng)地研究了不同直徑的碳納米管在極限發(fā)射電流狀態(tài)下所經(jīng)歷的物理過程。確認了所研制的碳納米管與硅尖錐襯底之間為歐姆接觸。首次在實驗上測量到單根碳納米管的發(fā)射電流密度可以達到～1011A/m2，與碳納米管可承載的最大直流電流密度1012A/m2相近。實驗還首次揭示了位于硅微尖錐頂端的單根碳納米管存在兩種限制其發(fā)射電流的物理機制，即碳納米管自發(fā)啟動擊穿和硅微尖錐襯底熔化。 ■采用自上而下(topdown)的方式，

5、用硅材料微加工技術(shù)，首次研制出帶控制柵極有序單晶硅納米線真空微電子器件陣列。 論文發(fā)明了一種結(jié)合碳化硅納米顆粒的自組裝制備和氫氣等離子體刻蝕的新方法，研制出高密度直立有序單晶硅納米線陣列。進而實現(xiàn)在帶控制柵極器件結(jié)構(gòu)中定位制備硅納米線陣列，首次研制出帶控制柵極硅納米線真空微電子器件陣列。有序的硅納米線陣列及器件具有優(yōu)越的場致電子發(fā)射特性。我們提出硅納米線表面覆蓋的非晶硅薄膜中極小的電子有效質(zhì)量是其具有優(yōu)越電子發(fā)射性能的主要原因，