碳基薄膜场致发射研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.92MB 43 页 15积分

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摘要

碳基薄膜包括金刚石、类金刚石、碳纳米管、非晶碳膜、石墨碳膜等。碳

基薄膜具有独特的电子、力学、化学特性，制备简易，是良好的冷阴极场致电

子发射材料，在平板显示领域有着潜在的应用价值。

本论文的研究工作是制备出场发射性能良好的器件。作者利用实验室的各

种设备，通过对陶瓷片研磨、清洗，然后利用电子束蒸发系统在陶瓷片上蒸镀

钼膜，最后利用化学气相沉积沉积系统在钼膜上沉积碳基薄膜，并最终制作成

场发射器件。在各个工艺制备过程中，探索了各工艺参数对薄膜的影响，摸索

出了相对优化的工艺参数。制备出的碳基薄膜场发射器件开启电场低于

1.5V/μm，在 5.7 V/μm 的宏观电场下获得电流密度高于 2.2mA/cm2，发射电子面

积超过 4.0cm2。

我们利用检测工具如 SEM，拉曼光谱仪分析碳基薄膜的微观结构、样品的

组成成分、发光光谱特性、发光强度与激发电压之间的关系，并研究薄膜微观

结构与实际场发射性能之间的关系，根据实际场发射实验 F-N 曲线与场发射 F-N

理论对比，对 F-N 曲线进行了一定的修正并使其能解释场发射实验中发现的新

的实验现象。最后对实验结果进行了分析和总结。

同时我们制备出了纳米 ZnO 薄膜，通过氢等离子体注入技术处理 ZnO 薄膜，

能够使薄膜样品表明形貌发生改变，表面电阻降低，有效的提升了 ZnO 薄膜场

发射的性能。

关键词：碳基薄膜场致发射 F-N 曲线 ZnO 薄膜

ABSTRACT

Carbon-based thin films have unique electronic, mechanical and chemical pr

operties, can be prepared easily, are good cold cathode field emission materials,

and they have special potential applications in the field of flat panel display.

In this thesis the effect of experimental process on the surface structure of

substrates and the field emission characteristics of carbon-based thin films were

studied. The author used a variety of laboratory equipments to produce field e

mission device successfully. The process as follows: the ceramic grinding, cleani

ng, and then used electron beam evaporation system deposited molybdenum on

the ceramic film, and finally deposited carbon-based films in the Mo film by c

hemical vapor deposition system. At all preparation process, we also explored th

e impact of process parameters on film and explored the relative optimization o

f process parameters. The field emission device exhibited good FE properties, w

hich has the turn on field of 1.5 V/m, and the current density of 2.2 mA/cm2

at electric field of 5.7 V/m, and emission electron area of more than 4.0cm2

were obtained.

We used detection tools analyzed the characters of carbon-based thin films.

And also studied the relationship between the film microstructure and field emi

ssion properties. Draw the FN-curve of the actual field emission experiments. W

e amend the FN- curve to explain the new experimental phenomena. We amend

the FN- curve to explain the field emission experiment; we found the new exp

erimental results. Finally, experimental results are analyzed and summarized.

We prepared ZnO nano-thin films and processing ZnO film by hydrogen io

n implantation.It can changed the morphology of thin films, lowered the surface

resistance. And effectively enhance the field emission properties of ZnO thin fi

lms.

Key Words: Carbon-based films，Field electron emission，F-N

curve，ZnO thin film

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论…….………………………………………………………….………1

§1.1 引言……………………………………………………………….…………1

§1.2 场致电子发射阴极材料的研究进展………………………….……………2

§1.3 场致电子发射理论简介……………………………………….……………3

§1.3.1 电子发射……………..……………………………………….………….3

§1.3.2 场致电子发射方程…..……………………………………….………….3

§1.4 场致电子发射特性测试方法…………………………………….…………4

§1.5 本论文的研究目标………………………………………………….………6

第二章碳基薄膜制备和特性表征….…………………………………….………..8

§2.1 引言………………………………………………………………….………8

§2.2 碳基薄膜制备方法………………………………………………….………8

§2.3 材料特性表征……………………………………………………….……..10

第三章实验设备简介..............................................................................................12

§3.1 陶瓷片机械研磨………………………...………………………….….…..12

§3.2 超声清洗…………………………...……………………….………….…..12

§3.3 电子束蒸发系统…………………………………………….……….……13

§3.4 微波等离子体化学气相沉积系统…………...……………….……….…..15

§3.5 高真空场发射测试系统……..…………………………...….………….…17

第四章场发射器件的制备和特性研究……………………………….…….…....20

§4.1 引言………………...………………………………………….………...…20

§4.2 场发射阴极的制备及薄膜结构检测分析…………………………………20

§4.2.1 场发射器件制作流程…………………...…………………………….20

§4.2.2 陶瓷片机械研磨……………………………...….……………………20

§4.2.3 陶瓷片超声清洗………………………………...…………...………..21

§4.2.4 电子束蒸发沉积钼膜………………………….………...……..……..21

§4.2.5MPCVD 系统生长碳基薄膜……………………….………….……….22

§4.3 场发射器件制备及特性测试……...………………………………………25

§4.4 类毛虫状纳米碳膜场发射器件…………...………………………………26

§4.4.1 场发射电子扫描显微镜图像…………………………...…………….26

§4.4.2 碳膜的拉曼光谱检测分析…………………………………..………..27

§4.4.3 碳膜场发射显示器件场发射性能检测…………..……….….………28

§4.4.4 对类毛虫状纳米碳膜特殊 F-N 曲线的解释…….……….….….……29

第五章纳米 ZnO 薄膜场发射器件的制备和研究………………..……..….……31

§5.1 引言………..………...……………………………….……….….….……..31

§5.2 器件制备…………..…………………...……………………….….………31

§5.3 场发射特性检测……………..……………...……………………….…….32

§5.3.1 样品表面形貌检测分析…..………………….………………….……..32

§5.3.2 能谱(EDS)分析检测分析…………...…..……………………….…….33

§5.3.3 ZnO 薄膜的场发射性能检测分析...………….………………….……..34

§5.4 小结……..…………………...……………………………………………..35

第六章结论………………………………………………………………………..36

参考文献……………………………………………………………………………37

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果…………………………40

致谢…………………………………………………………………………………41

第一章绪论

§1.1 引言

1928年Fowler[1]等人建立了金属场发射理论，并推导出著名的F-N场致发射方

程。从此以后人们不断研究和发展着场致发射理论和器件。场致发射有着非常广

泛的应用，例如场发射扫描电子显微镜、高亮度电子源、压力传感器、微波器件、

场致发射平板显示器、存储器件等。而场致发射平板显示器又是重点研究和推广

的新型显示器。

在如今的显示器中，主要有阴极射线管(CRT)显示器和液晶平板显示器(LCD)，

阴极射线管(CRT)显示器的体积和重量都非常的大、工作电压高、屏内有光散射并

且非数字寻址；LCD响应速度慢、受环境温度限制大。因此无论是阴极射线管(CRT)

显示器还是液晶平板显示器(LCD)都不能完全满足当代社会对显示器件越来越高

的要求。场发射显示器(FED)是一种新近发展起来的平板显示器，它具备了CRT和

平板显示的优点，是CRT和平板显示的有机完美结合。与传统的阴极射线管(CRT)

区别在于FED是利用场发射阴极阵列(FEAs)上大量微阴极发射的电子束直接轰击

荧光粉，具有阳极驱动电压较低、亮度高、视角宽、响应时间短、工作温度范围

广、能耗低等各方面的优良特性。另外FED不需要偏转线圈，因此可以制成很薄的

平板显示器(FPD)。

FED 的核心是场发射阴极，实际应用中对阴极材料的基本要求有：功函数小，

电子容易溢出；良好的发射性能，易于开启且稳定、可靠；材料经济实用，成本

低易加工等。曾经用过的阴极材料主要有难熔金属(如Mo，

W等)，半导体材料(如

Si，GaAs，SiC 等)和铁电材料(如BaTiO3，PLZT 等)，由于这些材料一般来说电

子亲和势比较大，为了降低发射电场和增大发射电流，一般采用 Spindt 式尖端阵

列结构，以增强局部场强，促进发射。但是金属容易被氧化而影响发射稳定性，

半导体材料也会因为散热问题和化学活性使发射体受到侵害，进而影响发射。

碳基薄膜材料具有低的电子亲合势，是场致发射良好的阴极材料，具有低开

启电场和高电流密度良好特性。受到人们广泛的关注。人们通过对碳基薄膜的特

殊处理：注入氮硫杂质、对表面形貌进行干涉、控制 sp2碳基团的大小和数量、

在基板表面覆盖电阻层等多种方法来提升碳基薄膜场发射特性。碳基薄膜场发射

平板显示器具有驱动电压较低、发光效率高、亮度高、视角宽、响应时间短、工

作温度范围广、能耗低、色彩鲜艳等优良特性。被誉为未来理想的平面显示器。

能够广泛应用于小型电视、航空电子、自动化办公等各领域。

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摘要碳基薄膜包括金刚石、类金刚石、碳纳米管、非晶碳膜、石墨碳膜等。碳基薄膜具有独特的电子、力学、化学特性，制备简易，是良好的冷阴极场致电子发射材料，在平板显示领域有着潜在的应用价值。本论文的研究工作是制备出场发射性能良好的器件。作者利用实验室的各种设备，通过对陶瓷片研磨、清洗，然后利用电子束蒸发系统在陶瓷片上蒸镀钼膜，最后利用化学气相沉积沉积系统在钼膜上沉积碳基薄膜，并最终制作成场发射器件。在各个工艺制备过程中，探索了各工艺参数对薄膜的影响，摸索出了相对优化的工艺参数。制备出的碳基薄膜场发射器件开启电场低于1.5V/μm，在5.7V/μm的宏观电场下获得电流密度高于2.2mA/cm2，发射电子...

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