通過普通的紫外(UV) 光刻工藝,結合“變傾角縮口”新技術,研制了不同發射單元尺寸的碳納米管(CNTs) 陣列陰極。掃瞄電鏡分析表明,隨著縮口尺寸的依次減小(從0.6μm到0.4μm ,最后到0.2μm) ,發射單元內CNTs 的根數也不斷減少。當孔徑縮至0.2μm時,發射單元僅由1 根～3 根CNTs 組成,并且大部分單元頂端均有單根CNT 伸出,使得整個發射體近似于單根CNT。場發射特性測試結果表明,0.2μm發射單元尺寸的陣列陰極,開啟電場約2V·μm- 1 ;當場強為20V·μm^{- 1}時,該陣列的電流密度達到0.35A·cm^{- 2} ,比1μm尺寸的陣列陰極提高了近4 倍,比連續生長的薄膜CNTs 陰極則高1～2 個數量級。

　　碳納米管(CNTs) 是一種優異的場發射體材料。其穩定的物理和化學性質和本身的高縱橫比,使其可以獲得更穩定、更大的發射電流,有望成為真空微電子器件中很有潛力的陰極電子源 。然而,在基片上生長的定向連續的CNTs ,管之間的間距很小,存在嚴重的電場屏蔽效應,使得CNTs 發射體尖端的場強大大減弱,因此陰極的發射電流密度很低。利用光刻技術,將連續生長的CNTs 圖形化是提高發射電流密度的一種辦法。我們已經利用UV 光刻技術制造了單元直徑為1μm 的CNTs 陣列陰極,提高了陰極的發射電流密度。但是,圖形化陣列的每個發射單元中仍有許多CNTs ,它們之間的屏蔽效應依然存在,因此發射電流密度仍限制在幾十毫安每平方厘米。

　　為了最大限度地避免電場屏蔽作用,必須制造單根的、離散分布的定向CNTs 陣列陰極。劍橋大學的Milne 等采用電子束光刻技術,通過控制催化劑顆粒的尺寸在100nm～200nm ,制造出600μm ×600μm 的單根定向CNTs 陣列陰極。在電場為21V·μm^{- 1}時,取得0.7A·cm^{- 2}的電流密度。并將該陰極應用在微波真空三極管中,測得工作電流密度達到1A·cm^{- 2} ,調制頻率為1.5GHz ,預期的工作頻率可達到30GHz～100GHz。顯然,這種大電流密度的二極式單根定向CNTs 陣列陰極,在更高頻率的微波電真空器件中具有潛在的應用價值。

　　根據目前國內外的報道,電子束曝光是唯一一種制造單根定向CNTs 陣列的途徑。然而,電子束曝光技術需要專用的設備,不僅價格昂貴,而且工作效率較低,一般僅局限在個別的實驗室使用。與此相比,目前國內外大規模使用的光刻技術,用普通的紫外曝光。這種技術成熟、工藝簡單、成本低,并且可以批量生產。因此,如果能用UV 光刻技術制造單根CNTs 陣列陰極,將為實現單根CNTs 陰極的實際應用奠定基礎。

　　我們曾經報道過,利用UV 光刻技術制造發射單元直徑為1μm 的圖形化CNTs 陣列陰極。由于UV技術的最高分辨率是0.7μm ,因此1μm 尺寸的CNTs 發射單元已經達到該技術的極限尺寸。而生長單根CNT 要求催化劑的面積小于200nm ,因此僅用UV 技術無法實現單根CNT 的生長。為此,本文提出了一種新技術———“變傾角縮口”技術,該技術可進一步縮小孔徑,制造了發射單元尺寸分別為0.6μm、0.4μm 和0.2μm 的陰極,其中0.2μm 尺寸的陰極發射體已接近單根CNT。

1、實驗方法

1.1、單根CNTs 陣列陰極的設計

　　限制二極式定向CNTs 陣列陰極電流密度的主要因素是CNT之間的電場屏蔽效應。通常生長的CNTs之間的間距都比較接近,每根CNT 頂端的電場強度由于周圍CNT的屏蔽作用而大大減弱,使陰極的發射電流密度降低。因此,在單根CNT陣列陰極的制造之前,必須對陣列的結構尺寸進行合理地設計。

　　圖1 是二極式單根CNT 陣列陰極的結構模型示意圖。它由陰極組件和一個平板陽極組成,陰極組件則包括n2Si (100) 襯底、氮化鈦緩沖層和直立的單根CNT 陣列。CNT 之間的直徑為D , 間距為d ,高為h ,襯底與陽極之間的距離為L 。

　　設CNT 的高h = 3μm 和直徑D = 50nm(CNT 的高和直徑是根據制備CNT 的具體實驗數據確定的) ,陽極與襯底的距離L = 10μm ,僅改變CNT 之間的間距d ,模擬計算屏蔽效應對陰極場發射特性的影響,得到CNT 頂端的電場強度E 和間距d 的關系曲線如圖2 所示。

圖1 　二極式單根CNT陣列陰極的結構模型示意圖　　圖2 　h = 3μm , d 不同時,電場強度變化曲線

　　全文下載：利用UV曝光技術研制單根定向碳納米管陣列冷陰極

3、結論

　　利用普通UV 曝光工藝,制造出不同單元尺寸的CNTs 陣列陰極。掃描電鏡分析表明,陣列具有較好的一致性,發射單元均呈圓錐形;隨著縮口尺寸的減小,發射單元內CNTs 的根數減少。當縮口至0.2μm時,陣列中的發射單元由1 根～3 根CNTs 組成,頂端均有單根CNT 伸出,使得發射體接近于單根CNT。場發射特性測試表明,0.2μm 單元尺寸的CNTs 陰極,發射電流密度比未縮口前的1μm 單元尺寸的陰極提高了近4 倍,比基片上連續生長的CNT陰極提高1～2 個數量級。

　　本文研究的一種“變傾角縮口”技術解決了制造這種單根CNT 陣列陰極的關鍵難題。。它可有效克服犧牲層縮口中出現的“瓶頸現象”,使縮口達到200nm 或更小,為制造單根CNTs 陣列陰極奠定了基礎。下一步工作需要進一步優化工藝參數,提高CNT 的直立定向性,繼續改善陣列的一致性,制造發射特性更好的單根定向CNTs 陣列陰極。