碳納米管場致發(fā)射陣列的研制.pdf

1、自20世紀(jì)90年代初碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，基于碳納米管的場致發(fā)射陣列很快就被用到場致發(fā)射的研究中來。碳納米管具有高長徑比、較低的功函數(shù)、優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)特性以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。理論上可實現(xiàn)很高的場發(fā)射電流密度。使用碳納米陣列作為電子發(fā)射源，可廣泛用于微波功率放大、場發(fā)射平面顯示、X射線管等器件。
　　本文首先對碳納米管的場致發(fā)射特性及其影響因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論，接著對碳納米管場致發(fā)射陣列的制備進(jìn)行了探索性研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在

2、微波等離子體化學(xué)氣相沉積法中，催化劑是碳納米管制備不可缺少的因素。催化劑作為碳源分解活性中心以及石墨碳沉積中心，對裂解產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用。催化劑同時也是碳納米管生長的成核中心和能量輸運者，催化劑的選取、制備、以及載體的選取也將對碳納米管的成核、生長速率、密度、分離、純化等有很大影響。鑒于催化劑對碳納米管的重要性，本文對催化層的制備工藝做了一系列的實驗性研究，在前人的基礎(chǔ)上總結(jié)了兩種催化層制備工藝，并重點實驗研究了掩模光刻

3、工藝，催化劑材料、催化層厚度、催化層結(jié)構(gòu)及催化層沉積速率等對制備碳納米管場致發(fā)射陣列的影響等。同時研究了溫度與催化層在碳納米管生長過程中的作用。借助掃描電子顯微鏡的表征圖分析結(jié)果，最后成功制備出了生長均勻、定向性好、粘附性好的碳納米管場致發(fā)射陣列樣品。然后在高真空動態(tài)場致發(fā)射測試系統(tǒng)中對制備好的碳納米管陣列進(jìn)行了場致發(fā)射特性測試，I-V特性測試結(jié)果表明：制備的碳納米管陣列最大電流密度超過1A/cm2，總發(fā)射電流達(dá)到25mA。壽命測試結(jié)果

4、表明，在經(jīng)過500小時壽命實驗后，發(fā)射電流僅僅降低了3％。由此可見制備的碳納米管陣列樣品具有優(yōu)良的場致發(fā)射性能。
　　為了獲得更好的場致發(fā)射性能，本文最后對基于碳納米管的場致發(fā)射陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真及優(yōu)化。對碳納米管陣列最佳場致發(fā)射間距進(jìn)行了理論對比分析，針對不同長徑比的碳納米管進(jìn)行了陣列密度優(yōu)化計算。仿真中發(fā)現(xiàn)高徑比較大的碳納米管相對于高徑比較小的碳納米管的最佳場致發(fā)射間距值要小。針對實驗制備的碳納米管陣列，也進(jìn)行了模擬仿真，計算

5、出了最佳場致發(fā)射陣列間距值，結(jié)果顯示當(dāng)點陣相對距離為其高度的1.5倍時，可以產(chǎn)生最大場致發(fā)射電流密度。這些結(jié)論為后續(xù)的實驗制備起到了指導(dǎo)性作用?；谔技{米管的三極管結(jié)構(gòu)日益成為研究熱點，但離實際應(yīng)用還有一些距離，本文參考了常用的前柵極結(jié)構(gòu)，利用碳納米管作為發(fā)射體，分析了基于碳納米管的前柵極結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能，著重分析了對場致發(fā)射敏感的三個參數(shù)：碳納米管與柵極的相對位置、柵極孔徑、柵極電壓。模擬計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳納米管居于柵極中心位置時可獲得