场发射阵列(FEA)阴极的材料及制备工艺

目前，用于场发射阵列(FEA)的阴极发射体材料多种多样，按制备工艺可以分为蒸镀锥尖型、涂覆型和图形化阴极型等。本文概述近年来场发射阵列阴极材料及其制备工艺的研究现状，以及一些新型材料的应用情况。     

酞菁裂解法制备定向碳纳米管阵列及其场发射性能研究

碳纳米管作为一种新型的光电材料有着广泛的应用,可用于平板显示器中的电子发射器件。定向碳纳米管阵列是碳纳米管的一种取向形态,具有其独特的性质。与缠绕无序的碳纳米管相比,定向碳纳米管更易分散、测量和应用。文章在低压条件下采用酞菁铁高温裂解法,在800～1000℃,以石英玻璃为基底,制备了大面积高度定向的碳纳米管。通过SEM和TEM对定向碳纳米管的结构进行分析。结果表明该法制备的碳纳米管长20μm,管径40～70nm,为竹节状结构的多壁碳纳米管。实验中发现系统真空度和生长温度都对定向碳纳米管生长有影响。通过对该碳纳米管进行场发射测试,结果表明此定向碳纳米管的开启电压仅为0.67V.μm-1(I=1μA),阈值电压为2.5V.μm-1,具有良好的场发射性能。     

纳米絮状碳膜的制备及场发射特性

采用电子回旋共振等离子体化学气相沉积(ECR-CVD)技术,以CH4和H2为源气体,硅片为衬底制备了碳膜。利用拉曼光谱仪和扫描电子显微镜成功研究了基板偏压、沉积时间、CH4浓度等工艺参数的改变对碳膜絮状结构的影响。通过分析碳膜结构和形貌,得出纳米絮状碳膜的最佳工艺参数。通过电流密度-电场(J-E)曲线和Fowler-Nordheim(F-N)曲线,研究了CH4浓度对纳米絮状碳膜的场发射特性的影响。随着CH4浓度的增加,碳膜的阈值电场逐渐降低,发射电流密度逐渐增加。     

PECVD多晶金刚石平面薄膜场发射特性

以n-Si为衬底，用PECVD方法淀积了多晶金刚石薄膜。采用以金刚石薄膜为阴极的二极管结构测试了场发射特性，在6V/μm的电场下，场发射电流为5μA。研究了场发射的有效势垒随外加电场的变化，发现在有效势垒随外电场变化的曲线中存在一段平台。从理论上对这种现象进行了研究，分析了电子从Si衬底注入金刚石薄膜的方式，认为有效势垒的平台是由于缺陷能级在金刚石禁带中分布不均匀所致，并由此建立了在注入限制情况下多晶金刚石薄膜的场发射模型。根据模型计算得到有效势垒的理论曲线与实验曲线，反映了相同的变化规律。     

场发射阵列阴极在行波管中的应用

场发射阵列阴极应用于行波管的不足主要表现在：FEAs发射不稳定、阴极发射电流密度较低及电子束存在散焦的问题．分析了产生这些问题的主要原因。提出了相应的解决方案,主要包括：提高真空度,选择合适的发射体材料,增加电阻层等,以提高电子发射的稳定性;优化发射体结构参量,改善制作方法等,以增大阴极发射的电流密度;对电子枪结构进行修改,解决电子柬散焦等问题。最后,概述了新型材料——碳纳米管在行波管中的应用现状,目前虽然还不成熟,却表现出了极大的潜力：     

碳纳米管场发射阴极电泳法制备及场发射特性研究

采用电泳沉积法在玻璃基板上成功制备出碳纳米管场发射阴极,采用扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌,并对制备的碳纳米管阴极进行场发射测试.实验结果表明电泳2 min沉积的碳纳米管薄膜均匀连续且具有较好的场发射特性,其开启电场为3.1 V/μm,当外加电场强度为11.5 V/μm时场发射电流密度达到11.33 mA/cm2,经过10 V/μm的电场激活处理后样品具有较好的场发射稳定性.     

反向刻蚀法制备场发射阴极阵列

本文报道了硅各向异性腐蚀结合静电键合工艺制备出的大面积场发射阵列。阵列密度为１０￣６个／ｃｍ￣２，且具有良好的均匀性。该工艺简单、易于控制，是一种理想的制备场发射阵列的方法。     

图案化定向碳纳米管阵列的场发射性能研究

考虑到碳纳米管的几何形貌会在一定程度上影响其场发射性能,如驱动电场,发射电流强度等,因此本文设计了三种不同的几何图案,并采用热气相化学沉积（TCVD）法制备出了相应几何结构的定向碳纳米管阵列;通过模拟计算和场发射测试实验,我们对以上三种结构的场发射性能进行比较,发现具有规则六边形蜂窝形状的碳纳米管阵列具有最强的边缘效应,最小的屏蔽效应,以及相同电场下最大的发射电流。     

碳纳米球薄膜的场发射特性

利用微波等离子体化学气相沉积法,在Si(100)衬底上制备了碳纳米球薄膜。利用拉曼光谱和场发射扫描电子显微镜研究了薄膜的结构以及表面形貌,表明碳纳米球薄膜是由约2～3μm长、100nm宽的无定形碳纳米片相互缠绕、交织成球状而构成的。在高真空系统中测量了碳纳米球薄膜的场发射特性,结果表明,碳纳米球薄膜具有良好的场发射特性,阈值电场为3.1V/μm,当电场增加到10V/μm时,薄膜的场发射电流密度可达到60.7mA/cm2。通过三区域电场模型合理地解释了碳纳米球薄膜在低电场、中间电场和高电场区域的场发射特性。     

二氧化锡纳米梭阵列的合成与场发射特性研究

利用热蒸发法在硅衬底上合成了二氧化锡纳米梭阵列,并研究其场致电子发射特性。研究结果表明,所合成的二氧化锡纳米梭是一种新型的纳米结构,可以通过反应时间的不同得到不同密度的二氧化锡纳米梭阵列,从而实现可控生长。在研究场致电子发射方面,我们发现所合成的二氧化锡纳米梭阵列有优良的场发射性能,开启电场为1.4V/μm,对应的发射电流密度为10μA/cm2;当电场强度为7.4V/μm时,发射电流密度高达2.48mA/cm2。这是由于二氧化锡纳米梭结构有很小的尖端曲率半径以及所测量样品中二氧化锡纳米梭阵列分布比较均匀造成的。测量结果发现在F-N曲线上呈现两个线性段,我们认为这是由于在不同的电场下,发射电流由不同高度的梭形结构引起的,不同高度的梭形结构由于长径比不同因而具有不同的场增强因子,从而导致在F-N曲线上表现为两个线性段。     

电泳工艺制备阵列场发射阴极及其性能的研究

碳纳米管是理想的场发射冷阴极材料,阴极的图形阵列化是实现碳纳米管场发射显示器动态全彩视频显示的核心.三极管结构能够更好地进行矩阵寻址显示图像,且与常规的驱动电路相兼容,降低整体平板显示器件的制作成本.从实验出发,探索利用简单的电泳工艺制备图形化碳基薄膜阴极,采用与阴极成同一水平面的栅极的三极管结构,并对电泳的实验参数进行优化以提高阴极电压电流特性和发射的均匀性等问题,为场发射器件的制造提供优良的工艺基础.研究机械球磨和稀释悬浊液浓度对碳纳米管沉积均匀性的影响.实验结果表明稀薄的悬浊液的条件下可以在玻璃的银浆导电层上沉积较薄而均匀的碳纳米管膜,与丝网印刷工艺制备的阴极相比,均匀性更好,厚度更容易控制,具有更好的发射均匀性.测试图形化的阵列碳纳米阴极的三极管结构的场发射特性,发现当阳极电压保持在600 V,栅极电压接近500 V时,阳极电流能达到2.6 mA/cm2.荧光粉发光均匀,相比二极管结构具有更低的阈值电压,在亮度、均匀性和稳定性方面都有显著的优势.     

可印制碳纳米管冷阴极中碳纳米管含量的优化

采用丝网印刷法制备了不同碳纳米管含量的冷阴极.研究了不同碳纳米管含量的冷阴极的场发射特性与其微结构和电学特性的关系.实验发现,碳纳米管冷阴极的导电性和场发射特性受碳纳米管含量影响,具有适当的碳纳米管含量的冷阴极的场发射特性最佳.     

多壁碳纳米管定向生长参数的研究

研究了利用微波等离子体化学气相沉积法制备碳纳米管时各种工艺参数的影响。在化学气相沉积中催化剂起着至关重要的作用,为分析催化剂对碳纳米管生长情况的影响,采用常用的催化剂Fe和Ni作对比实验,并利用扫描电子显微镜表征手段分析不同催化层对碳纳米管生长情况的影响,发现使用Fe催化层在较高温度下,碳纳米管生长形貌较Ni催化层要好。而沉积温度在制备碳纳米管的过程中也起这重要的作用,所以实验针对不同沉积温度进行碳纳米管生长,结果发现600℃左右温度较适合碳纳米管生长。     

碳纳米管的场发射特性

研究了碳纳米管的场致发射特性,实验证明碳纳米管作为场发射阴极材料具有优越性.通过对碳纳米管进行温度处理,得到了与基片附着力强的碳纳米管;测试了场发射特性,发现碳纳米管其开启电压较低(30V).     

碳纳米管的场发射特性

研究了碳纳米管的场致发射特性,实验证明碳纳米管作为场发射阴极材料具有优越性.通过对碳纳米管进行温度处理,得到了与基片附着力强的碳纳米管;测试了场发射特性,发现碳纳米管其开启电压较低(30V).     

Amorphous Silicon Films Prepared by Catalytic Chemical Vapor Deposition Method

ＡｍｏｒｐｈｏｕｓＳｉｌｉｃｏｎＦｉｌｍｓＰｒｅｐａｒｅｄｂｙＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ①②ＺＨＯＮＧＢｏｑｉａｎｇ，ＨＵＡＮＧＣｉｘｉａｎｇ，ＰＡＮＨｕｉｙｉｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅ...     

基于PECVD的碳纳米管生长及其场致发射特性

采用等离子体增强化学气相沉积方法,以Ni作为催化剂实现碳纳米管阵列定区域单根分立生长.扫描电子显微镜分析结果表面,碳纳米管呈现笔直生长,生长速率大于500 nm/min,长度和直径比较均匀,且具有高度的定向性,排列整齐并垂直于基底.透射电子显微镜分析结果显示,生长的碳纳米管表现典型的多壁碳纳米管结构特征,并且晶格缺陷非常少.在高真空系统中对生长的碳纳米管阵列进行场致发射特性测试,结果表明生长的碳纳米管发射阵列具有很好的场致发射特性,最大电流密度大于1 A/cm^2.老炼试验显示生长的碳纳米管阵列场致发射特性具有良好的稳定性.紫外光子谱线法测试结果表明,生长的碳纳米管的功函数为4.96 eV,由此计算出碳纳米管阵列相对应的场增强因子大于1100.本文的研究结果提供了一种简单的可实现大面积和规模化的基于碳纳米管场致发射阴极的制备途径.     

Sharp Infrared Emission from Single‐Crystalline Indium Nitride Nanobelts Prepared Using Guided‐Stream Thermal Chemical Vapor Deposition

Single‐crystalline InN nanobelts have been synthesized using Au as the catalyst by a guided‐stream thermal chemical vapor deposition technique. The resultant InN nanobelts typically have widths ranging from 20 to 200 nm, a width to thickness ratio of 2–10, and lengths of up to several tens of micrometers. Structural analysis shows that these InN nanobelts have a wurtzite structure and exhibit a rectangular cross section with self‐selective facets, i.e., the nanobelts are enclosed only by ± (001) and ± (11?0) planes with [110] being the exclusive growth direction along their long axis. This facet selectivity can be understood by the differences in the surface energies of the different facets. Photoluminescence (PL) spectra of InN nanobelts show a sharp infrared emission peak at 0.76 eV with a full width at half maximum of 14 meV, narrower than the values reported for InN epilayers. The integrated PL intensity is found to increase linearly with the excitation power, which suggests that the observed PL can be attributed to direct band‐to‐band emission.     

三色碳纳米管场发射灯的研制

报道了以粉末状碳纳米管为原料用丝网印刷法制备图形化的碳纳米管阴极的技术.采用热处理和氢等离子体表面处理方法提高了丝网印刷法制备的碳纳米管阴极的场发射性能,处理后阴极的阈值场强从4V/μm降到～1V/μm,场发射电流密度在4.5V/μm时达到了2.53mA/cm2,发射点密度从～103/cm2增加到～105/cm2.在此基础上,成功地设计和封装了三极管结构的三色高亮度碳纳米管场发射灯器件.     

三色碳纳米管场发射灯的研制

报道了以粉末状碳纳米管为原料用丝网印刷法制备图形化的碳纳米管阴极的技术.采用热处理和氢等离子体表面处理方法提高了丝网印刷法制备的碳纳米管阴极的场发射性能,处理后阴极的阈值场强从4V/μm降到～1V/μm,场发射电流密度在4.5V/μm时达到了2.53mA/cm2,发射点密度从～103/cm2增加到～105/cm2.在此基础上,成功地设计和封装了三极管结构的三色高亮度碳纳米管场发射灯器件.