定向碳納米管陣列的結構設計與場發(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,可應用于諸多領域,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。如何改進定向碳納米管陰極的性能是要解決的首要問題;設計并實現(xiàn)三極結構則是能否制備出實際器件的關鍵所在。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)射性能以及結構設計展開,目的是提高其性能以促進

2、它在大電流密度場發(fā)射器件中的應用。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沉積(TCVD)技術制備定向碳納米管,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構的概念,并制備出了相應的發(fā)射

3、體,測試結果表明這種陣列發(fā)射體具有低驅動電場,高電流密度等優(yōu)點。閾值場強(電流密度為1mA/cm2時的宏觀電場)僅為1.1V/μm,當電場為11.5V/μm時,總電流達到了5mA,對應發(fā)射電流密度達到了5.5A/cm2。與文獻報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,因此本文設計并制備出了兩種不同面積大小的碳納米管陣列,進行分組實驗并對其進行二級結構場發(fā)射測試,結果表明,邊緣效應和碳納米管

5、尺寸上的差異導致了發(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)增強邊緣效應;(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,設計了一種整體圖案為長方形的陣列場發(fā)射體,測試結果表明它具有良好的場發(fā)射性能,當電場為9V/μm時,總電流達到1.1mA,對應發(fā)射電流密度達到了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,針對目前技術方法制備出的氧化鋅碳納米管復合結構多為隨機取向,會在一定程度上影響其發(fā)射電流穩(wěn)定性、壽命等性能,本文設計并制備了一種氧化鋅納米線與定向碳納米管復合結構陣列,并對其進行模擬計算和一系列的性能測試,計算和實驗結果表明本文的復合結構具有優(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、 4.三極結構是場發(fā)射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構的優(yōu)缺點后,結合已有的制備工藝,提出了一種基于SOI場效應管控制的背柵極式三極結構定向碳納米管場發(fā)射陣列;同時還給出了這種結構的工作模式,并模擬計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,成功制備了單根碳納米管陣列三極結構發(fā)射體并進行了場發(fā)射測試。測試電壓設定在0～-80V間得到了明顯的調(diào)制效果,并與模擬計算相符合。由于串聯(lián)了場效應管,單根碳