介紹了基于C-W復合膜/無定形碳納米島的表面傳導電子發射陰極,并對其制備工藝和發射性能進行討論。利用低熔點納米Bi島作為掩模刻蝕得到無定形碳的納米島結構,在保留大島形貌的同時,去除了一定量的小島結構;同時在無定形碳中摻入少量的W原子,制作導電性極佳的C-W復合膜作為上層發射層,利于激活形成電子發射區域。通過對工藝參數的優化,得到了穩定、均勻的電子發射,電子發射率在陰陽極間距2mm、陽極電壓為3 kV時達到0.9%,向器件實用化方向邁出了重要的一步。

　　表面傳導電子發射是前蘇聯科學家在20 世紀60 年代初發現的[1], 屬于平面型的薄膜電子場發射。V. V. NIKULOV 等[2]采用涂敷技術形成的SnO2不連續薄膜制作了橫向結構的電子發射陰極; SnO2薄膜的電子發射率高, 但是發射不穩定, 無法應用于顯示器件。新型場發射的研究主要集中在以各種形態的碳為發射材料的陰極上, 包括碳納米管, 具有較低發射閾值電場的金剛石薄膜和類金剛石薄膜等[3-8]。由于電子的發射均勻性較差以及對薄膜進行處理的溫度超過玻璃軟化點, 這類材料目前較難得到實際應用。

　　日本的Araki 等[9-14]采用真空熱蒸發沉積均勻無定形碳薄膜制作了共面陰極, 但是發射率較低。佳能公司于20 世紀80 年代啟動了對二極型表面傳導發射的研究[15], 經過二十多年的研究開發, 采用特殊的工藝, 實現了非常理想的納米隙縫, 得到了均勻穩定的電子發射。2005 年得SID展會上, 佳能公司的36 英寸SED 平板顯示樣品以其近似于CRT 優秀的顯示性能引起業界轟動[16] 。佳能的研究成果同時也使得薄膜電子場發射再次成為研究的熱點[17-19] 。但是較長時間的激活過程成為SED 量產的一個巨大瓶頸。清華大學的研究團隊通過引入復合層薄膜結構, 可以解決激活時間問題[20-21] 。

　　本文提出了一種基于C-W復合膜/無定形碳納米島的表面傳導電子發射陰極, 實現瞬時激活, 得到均勻穩定的電子發射。以低熔點金屬Bi 納米島作為掩模刻蝕得到無定形碳納米島結構, 在保留大島形貌的同時, 通過刻蝕過程去除大量的小島結構; 通過引入這種無定形碳納米島結構, 給復合導電薄膜引入了不均勻型, 這種結構幫助實現電子發射區域的形成; 通過C-W共濺射的方法, 在無定形碳中摻入少量的W原子, 制備導電性極佳的C-W復合膜作為上層發射層, 利于激活形成電子發射區域, 同時給應用于場發射顯示領域的碳基材料研究提供了新思路。

器件結構和工藝

　　基于C-W復合膜/無定形碳納米島的表面傳導電子發射陰極結構以及測試裝備示意圖如圖1(a)所示。

　　制備工藝過程如下:

　　(1) 襯底 選用平整無劃痕的清潔制版玻璃

　　(2) 無定形碳納米島的制作 整個工藝工程如圖2 所示, 分為如下幾個步驟: 在玻璃襯底上采用電子束蒸發沉積一層均勻的無定形碳薄膜, 使用石墨作為蒸發源, 通過監控方塊電阻來控制碳膜的厚度, 沉積過程中襯底不加溫;使用電子束蒸發來沉積納米Bi 島狀膜, 在EB+SP100 型磁控濺射+ 電子束蒸發連續鍍膜系統中進行, 樣品與蒸發源的距離為35 cm 左右, 蒸發過程中, 襯底溫度保持為190 e ; » 將基片放入反應離子刻蝕設備的真空室內, 采用氧等離子體對無定形碳薄膜進行刻蝕。刻蝕設備的射頻電源功率為100W。經過60 s 的刻蝕, 無Bi 膜遮擋處的碳被刻蝕掉; 同時, 對于過小的納米Bi 島而言, 在刻蝕過程中不能很好地起到掩模作用, 因此這部分的碳同樣被刻蝕掉; ¼ 利用濃硝酸除去上層作為掩模的Bi 層,得到納米碳島結構, 在保留了大島形貌的同時, 有效去除了部分小島形貌。

圖1 (a) 基于C- W復合膜/ 無定形碳納米島的表面傳導電子發射陰極結構以及測試裝備示意圖; (b) 發射圖形照片

　　本文提出了一種基于C-W復合膜/無定形碳納米島結構的表面傳導電子發射陰極, 給出了其設計方案、器件結構、制作工藝、工作原理以及電子發射性能的測試結果。采用低熔點金屬Bi 島狀結構作為掩模對連續的碳薄膜進行反應離子刻蝕, 形成無定形碳納米島結構: 在保留大島形貌的同時, 通過刻蝕過程去除掉大量的小島結構。通過C-W共濺射的方法, 在無定形碳中摻入少量的W 原子, 制備導電性極佳的C- W復合膜作為上層發射層, 利于激活形成電子發射區域。無定形碳納米島結構的引入給復合導電薄膜引入了不均勻型, 這種結構幫助實現電子發射區域的形成: 在傳導電流的熱效應作用下,復合層的某些導電通道被燒斷, 形成電子發射區域,通過電子發射區域的傳導電流的一部分在陽極高壓的作用下到達陽極, 形成電子發射。在真空度1@10-4Pa 的真空條件下對電子發射陰極進行了激活, 對其電子發射性能進行了測試。整個激活過程僅需數秒鐘, 在時間成本上具有優勢。電子發射均勻穩定, 在陽極電壓為3 kV, 陰陽極間距2 mm 的條件下, 可以得到0.9% 的電子發射率,向器件實用化方向邁出了重要的一步。