基于C-W复合膜/无定形碳纳米岛的表面传导电子发射阴极

　　介绍了基于C-W复合膜/无定形碳纳米岛的表面传导电子发射阴极,并对其制备工艺和发射性能进行讨论。利用低熔点纳米Bi岛作为掩模刻蚀得到无定形碳的纳米岛结构,在保留大岛形貌的同时,去除了一定量的小岛结构;同时在无定形碳中掺入少量的W原子,制作导电性极佳的C-W复合膜作为上层发射层,利于激活形成电子发射区域。通过对工艺参数的优化,得到了稳定、均匀的电子发射,电子发射率在阴阳极间距2mm、阳极电压为3 kV时达到0.9%,向器件实用化方向迈出了重要的一步。

　　表面传导电子发射是前苏联科学家在20 世纪60 年代初发现的[1], 属于平面型的薄膜电子场发射。V. V. NIKULOV 等[2]采用涂敷技术形成的SnO2不连续薄膜制作了横向结构的电子发射阴极; SnO2薄膜的电子发射率高, 但是发射不稳定, 无法应用于显示器件。新型场发射的研究主要集中在以各种形态的碳为发射材料的阴极上, 包括碳纳米管, 具有较低发射阈值电场的金刚石薄膜和类金刚石薄膜等[3-8]。由于电子的发射均匀性较差以及对薄膜进行处理的温度超过玻璃软化点, 这类材料目前较难得到实际应用。

　　日本的Araki 等[9-14]采用真空热蒸发沉积均匀无定形碳薄膜制作了共面阴极, 但是发射率较低。佳能公司于20 世纪80 年代启动了对二极型表面传导发射的研究[15], 经过二十多年的研究开发, 采用特殊的工艺, 实现了非常理想的纳米隙缝, 得到了均匀稳定的电子发射。2005 年得SID展会上, 佳能公司的36 英寸SED 平板显示样品以其近似于CRT 优秀的显示性能引起业界轰动[16] 。佳能的研究成果同时也使得薄膜电子场发射再次成为研究的热点[17-19] 。但是较长时间的激活过程成为SED 量产的一个巨大瓶颈。清华大学的研究团队通过引入复合层薄膜结构, 可以解决激活时间问题[20-21] 。

　　本文提出了一种基于C-W复合膜/无定形碳纳米岛的表面传导电子发射阴极, 实现瞬时激活, 得到均匀稳定的电子发射。以低熔点金属Bi 纳米岛作为掩模刻蚀得到无定形碳纳米岛结构, 在保留大岛形貌的同时, 通过刻蚀过程去除大量的小岛结构; 通过引入这种无定形碳纳米岛结构, 给复合导电薄膜引入了不均匀型, 这种结构帮助实现电子发射区域的形成; 通过C-W共溅射的方法, 在无定形碳中掺入少量的W原子, 制备导电性极佳的C-W复合膜作为上层发射层, 利于激活形成电子发射区域, 同时给应用于场发射显示领域的碳基材料研究提供了新思路。

器件结构和工艺

　　基于C-W复合膜/无定形碳纳米岛的表面传导电子发射阴极结构以及测试装备示意图如图1(a)所示。

　　制备工艺过程如下:

　　(1) 衬底 选用平整无划痕的清洁制版玻璃

　　(2) 无定形碳纳米岛的制作 整个工艺工程如图2 所示, 分为如下几个步骤: 在玻璃衬底上采用电子束蒸发沉积一层均匀的无定形碳薄膜, 使用石墨作为蒸发源, 通过监控方块电阻来控制碳膜的厚度, 沉积过程中衬底不加温;使用电子束蒸发来沉积纳米Bi 岛状膜, 在EB+SP100 型磁控溅射+ 电子束蒸发连续镀膜系统中进行, 样品与蒸发源的距离为35 cm 左右, 蒸发过程中, 衬底温度保持为190 e ; » 将基片放入反应离子刻蚀设备的真空室内, 采用氧等离子体对无定形碳薄膜进行刻蚀。刻蚀设备的射频电源功率为100W。经过60 s 的刻蚀, 无Bi 膜遮挡处的碳被刻蚀掉; 同时, 对于过小的纳米Bi 岛而言, 在刻蚀过程中不能很好地起到掩模作用, 因此这部分的碳同样被刻蚀掉; ¼ 利用浓硝酸除去上层作为掩模的Bi 层,得到纳米碳岛结构, 在保留了大岛形貌的同时, 有效去除了部分小岛形貌。

图1 (a) 基于C- W复合膜/ 无定形碳纳米岛的表面传导电子发射阴极结构以及测试装备示意图; (b) 发射图形照片

　　本文提出了一种基于C-W复合膜/无定形碳纳米岛结构的表面传导电子发射阴极, 给出了其设计方案、器件结构、制作工艺、工作原理以及电子发射性能的测试结果。采用低熔点金属Bi 岛状结构作为掩模对连续的碳薄膜进行反应离子刻蚀, 形成无定形碳纳米岛结构: 在保留大岛形貌的同时, 通过刻蚀过程去除掉大量的小岛结构。通过C-W共溅射的方法, 在无定形碳中掺入少量的W 原子, 制备导电性极佳的C- W复合膜作为上层发射层, 利于激活形成电子发射区域。无定形碳纳米岛结构的引入给复合导电薄膜引入了不均匀型, 这种结构帮助实现电子发射区域的形成: 在传导电流的热效应作用下,复合层的某些导电通道被烧断, 形成电子发射区域,通过电子发射区域的传导电流的一部分在阳极高压的作用下到达阳极, 形成电子发射。在真空度1@10-4Pa 的真空条件下对电子发射阴极进行了激活, 对其电子发射性能进行了测试。整个激活过程仅需数秒钟, 在时间成本上具有优势。电子发射均匀稳定, 在阳极电压为3 kV, 阴阳极间距2 mm 的条件下, 可以得到0.9% 的电子发射率,向器件实用化方向迈出了重要的一步。