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定向碳纳米管(CNTs)阵列展示了良好的场发射性能,可应用于诸多领域,例如场发射平板显示器、冷阴极X射线管和微波放大器等。但是,目前对定向碳纳米管阵列的研究工作依然没有使其得到广泛的应用,尤其是在发射电流和工作寿命等方面仍然存在一定的问题。如何改进定向碳纳米管阴极的性能是要解决的首要问题;设计并实现三极结构则是能否制备出实际器件的关键所在。因此,本文的研究工作围绕定向碳纳米管阵列的制备、场发射性能以及结构设计展开,目的是提高其性能以促进它在大电流密度场发射器件中的应用。本文主要的研究工作及成果可概括如下:
1.首先研究了采用热气象化学沉积(TCVD)技术制备定向碳纳米管,由于目前的TCVD法制备的定向碳纳米管阵列的图案单元尺寸过大(直径几十微米以上),从而影响其发射性能。因此,本文通过电子束光刻技术辅助制备出单元直径约为1μm的阵列,并获得了良好的场发射性能;考虑到该阵列存在一定的取向性问题,本文提出了网状定向碳纳米管阵列结构的概念,并制备出了相应的发射体,测试结果表明这种阵列发射体具有低驱动电场,高电流密度等优点。阈值场强(电流密度为1mA/cm2时的宏观电场)仅为1.1V/μm,当电场为11.5V/μm时,总电流达到了5mA,对应发射电流密度达到了5.5A/cm2。与文献报道的具有相似平均发射电流密度水平的碳纳米管阴极相比,发射总电流有了较大提高,这对碳纳米管阴极的在大功率器件中的实用化有重要意义。该成果已经被发表于Applied Physics Letters。
2.考虑到用TCVD法制备碳纳米管阵列时,虽然宏观呈现良好取向性,然而细化到内部的每根碳纳米管,却发现其排列有一定的无序性,本文研究了采用等离子增强的CVD(PECVD)法制备微观取向性更好的定向垂直碳纳米管阵列,并通过控制催化剂点的尺寸制备出长径比更优的单根碳纳米管阵列。由于碳纳米管阵列的形貌将会影响其场发射性能,因此本文设计并制备出了两种不同面积大小的碳纳米管阵列,进行分组实验并对其进行二级结构场发射测试,结果表明,边缘效应和碳纳米管尺寸上的差异导致了发射的不均匀性;受到上述工作的启发,提出了两种方案来提高发射电流密度:(1)增强边缘效应;(2)平衡同一阵列每根碳纳米管的发射电流;然后基于第一种方案,设计了一种整体图案为长方形的阵列场发射体,测试结果表明它具有良好的场发射性能,当电场为9V/μm时,总电流达到1.1mA,对应发射电流密度达到了1.2A/cm2。
3.基于上述第二方案,提出了利用氧化锌(ZnO)纳米线的半导体特性来平衡同一阵列每根碳纳米管的发射电流的方法,针对目前技术方法制备出的氧化锌碳纳米管复合结构多为随机取向,会在一定程度上影响其发射电流稳定性、寿命等性能,本文设计并制备了一种氧化锌纳米线与定向碳纳米管复合结构阵列,并对其进行模拟计算和一系列的性能测试,计算和实验结果表明本文的复合结构具有优良的场发射性能,与单纯碳纳米管阵列相比,开启场强下降了70％,阈值电压下降了50%,而且稳定性更高。该成果已经被发表于Applied Physics Letters。
4.三极结构是场发射器件制备过程中的难点,文章综述了现有的几种成功的三极结构的优缺点后,结合已有的制备工艺,提出了一种基于SOI场效应管控制的背栅极式三极结构定向碳纳米管场发射阵列;同时还给出了这种结构的工作模式,并模拟计算得到了良好的栅极调制效果。通过精确定位的电子束光刻技术,成功制备了单根碳纳米管阵列三极结构发射体并进行了场发射测试。测试电压设定在0～-80V间得到了明显的调制效果,并与模拟计算相符合。由于串联了场效应管,单根碳纳米管的发射电流被限制在80nA以下,这确保了发射体安全稳定地工作。同时还制备了发射面积为300μm×300μm的单根碳纳米管阵列三极结构,并进行了场发射测试。测试电压设定在0～-80V间得也到了明显的调制效果,最大发射电流达到了1.5mA,对应电流密度1.6A/cm2。此外,该三极结构也具有优良的发射均匀性和稳定性,适合应用在大功率场发射器件中,为三极结构的制备提供了又一种可选择方案。