新型低维结构冷阴极材料研制及其电子发射机理的研究

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1、——塑墨新型低维结构冷阴极材料的研制及其电子发射机理研究专业：凝聚态物理博士生：陈军导师：许宁生教授摘要新型低维结构冷阴极材料在场发射平板显示器等真空微电子器件中有广泛的应用前景，因而受到人们的重视。本博士论文首先综述了场致电子发射理论和实验研究方法，并回顾了新型低维结构冷阴极的研究进展。论文进而重点介绍我们在薄膜和准一维纳米材料这两类新型低维结构冷阴极材料的发射特性、发射机理和应用方面的研究结果。本论文的主要工作可概述如下。1．建立了一套可以综合测试场致电子发射特性的测试仪。它集成了透明阳极、场致电子发射显微镜、减速型场发射电子能谱仪和开尔文探针，可以测量场致电子发射的电流一电场特性

2、、发射址分布、炀发射微观像、场发射电子能谱和阴极材料的功函数等。2．在薄膜冷阴极方面，采用磁过滤直流溅射等离子体沉积方法制各了不同掺氮浓度的类金刚石薄膜(厚度约70nm)。用场发射综合测试仪测试了它们的场发射电流一电场特性、场发射址分布和场发射能谱。并进行了基于非简化的场发射电流公式的准隧穿模型的数值计算。作为对比，论文还制备和测量了不同厚度的非晶碳薄膜的场致电子发射特性。测量并比较了表面氢处理前后非晶碳薄膜的功函数、场发射电流一电场特性和场发射址分布。论文还进一步研究了掺氮纳米晶金刚石薄膜的场致电子发射特性。3．在准一维纳米材料冷阴极的研究方面，分别开展碳纳米管和窄带隙准一摘要维半导

3、体纳米材料的场发射特性的研究。研究了无序碳纳米管冷阴极的制备技术。测量了无序碳纳米管、掺氮有序碳纳米管冷阴极和窄带隙准一维半导体纳米材料硫化亚铜纳米线和氧化铜纳米带的场发射电流一电场特性和场发射址分布。分别测量了光照和温度变化时硫化亚铜纳米线和氧化铜纳米带的场致电子发射特性。本论文还开展了碳纳米管在冷阴极像素管上的应用的研究。在上述工作中我们取得的主要成果如下。1．针对薄(<100nm)的类金刚石薄膜的场发射，提出了准隧穿模型，并用实验加以证实。结合掺氮对类金刚石薄膜场发射特性的影响的实验结果，运用准隧穿模型解释了掺氮类金刚石薄膜的场发射机理，说明掺氮可以通过改变薄膜能带带隙，从而改变

4、衬底与薄膜之间的势垒高度来影响场发射特性，揭示了衬底与薄膜之间的界面对薄膜场发射的控制作用。同时解释了F．N曲线中的非线性的原因，指出了在F．N曲线低电场段的非线性是由热发射到场发射的过渡引起。另外，我们还进一步用场发射电子能谱的方法证实发射出来的大部分电子是来自薄膜的导带，而少数是从带间能级发射出来的，从而为准隧穿模型提供了进一步的实验证据。2．在碳纳米管冷阴极的研究方面，制备出发射性能优异碳纳米管冷阴极并实现了在显示器件上的应用。发明了一种在不锈钢衬底上用热分解化学气相沉积法直接生长碳纳米管的方法。研制出了纳米管冷阴极像素管，工作寿命超过3万小时，性能达到实际应用的要求。首次得到了

5、掺氮碳纳米管的场发射特性，并发现掺氮可以提高碳纳米管的场发射特性。3．在窄带隙半导体纳米材料冷阴极方面，首次研究了窄带隙半导体硫化亚铜纳米线和氧化铜纳米带的场致电子发射特性。用实验证明具有半导体性质的纳米线具有良好的场发射特性，并发现光和热分别对窄带隙半导体纳米材料场发射有显著的效应。关键词：场致电子发射，类金刚石薄膜，纳米晶金刚石薄膜，准一维纳米材料，碳纳米管——————————————坠NovelLow-DimensionalColdCathodeMateriais：PreparationandFieldElectronEmissionMechanismMajor：Condense

6、dMatterPhysicsName：JunChenSupervisor：NingshengXu，ProfessorABSTRACTNovellow—dimensionalcoldcathodematerialshavebeenextensivelystudiedrecentyearsduetotheirpotentialapplicationsinfieldemissiondisplayandothervacuummicroelectronicdevicesInthisPh．D．dissertation，wefirstreviewthefieldemissiontheories，ex

7、perimentaltechniquesandtheprogressinresearchofnovellow-dimensionalcoldcathodematerials．Thenwefocusourresearchworkoncharacteristics，mechanismsandapplicationsoffieldemissionfromseveralnovellow—dimensionalcoldcathodematerials，w