介紹了基于C-W復(fù)合膜/無定形碳納米島的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極,并對其制備工藝和發(fā)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(jié)構(gòu),在保留大島形貌的同時,去除了一定量的小島結(jié)構(gòu);同時在無定形碳中摻入少量的W原子,制作導(dǎo)電性極佳的C-W復(fù)合膜作為上層發(fā)射層,利于激活形成電子發(fā)射區(qū)域。通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化,得到了穩(wěn)定、均勻的電子發(fā)射,電子發(fā)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?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射是前蘇聯(lián)科學(xué)家在20 世紀60 年代初發(fā)現(xiàn)的[1], 屬于平面型的薄膜電子場發(fā)射。V. V. NIKULOV 等[2]采用涂敷技術(shù)形成的SnO2不連續(xù)薄膜制作了橫向結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射陰極; SnO2薄膜的電子發(fā)射率高, 但是發(fā)射不穩(wěn)定, 無法應(yīng)用于顯示器件。新型場發(fā)射的研究主要集中在以各種形態(tài)的碳為發(fā)射材料的陰極上, 包括碳納米管, 具有較低發(fā)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(fā)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(yīng)用。

　　日本的Araki 等[9-14]采用真空熱蒸發(fā)沉積均勻無定形碳薄膜制作了共面陰極, 但是發(fā)射率較低。佳能公司于20 世紀80 年代啟動了對二極型表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射的研究[15], 經(jīng)過二十多年的研究開發(fā), 采用特殊的工藝, 實現(xiàn)了非常理想的納米隙縫, 得到了均勻穩(wěn)定的電子發(fā)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(yōu)秀的顯示性能引起業(yè)界轟動[16] 。佳能的研究成果同時也使得薄膜電子場發(fā)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(chǎn)的一個巨大瓶頸。清華大學(xué)的研究團隊通過引入復(fù)合層薄膜結(jié)構(gòu), 可以解決激活時間問題[20-21] 。

　　本文提出了一種基于C-W復(fù)合膜/無定形碳納米島的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極, 實現(xiàn)瞬時激活, 得到均勻穩(wěn)定的電子發(fā)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(jié)構(gòu), 在保留大島形貌的同時, 通過刻蝕過程去除大量的小島結(jié)構(gòu); 通過引入這種無定形碳納米島結(jié)構(gòu), 給復(fù)合導(dǎo)電薄膜引入了不均勻型, 這種結(jié)構(gòu)幫助實現(xiàn)電子發(fā)射區(qū)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(dǎo)電性極佳的C-W復(fù)合膜作為上層發(fā)射層, 利于激活形成電子發(fā)射區(qū)域, 同時給應(yīng)用于場發(fā)射顯示領(lǐng)域的碳基材料研究提供了新思路。

器件結(jié)構(gòu)和工藝

　　基于C-W復(fù)合膜/無定形碳納米島的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)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(fā)沉積一層均勻的無定形碳薄膜, 使用石墨作為蒸發(fā)源, 通過監(jiān)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(fā)來沉積納米Bi 島狀膜, 在EB+SP100 型磁控濺射+ 電子束蒸發(fā)連續(xù)鍍膜系統(tǒng)中進行, 樣品與蒸發(fā)源的距離為35 cm 左右, 蒸發(fā)過程中, 襯底溫度保持為190 e ; » 將基片放入反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的真空室內(nèi), 采用氧等離子體對無定形碳薄膜進行刻蝕。刻蝕設(shè)備的射頻電源功率為100W。經(jīng)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(jié)構(gòu), 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(fù)合膜/ 無定形碳納米島的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)以及測試裝備示意圖; (b) 發(fā)射圖形照片

　　本文提出了一種基于C-W復(fù)合膜/無定形碳納米島結(jié)構(gòu)的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極, 給出了其設(shè)計方案、器件結(jié)構(gòu)、制作工藝、工作原理以及電子發(fā)射性能的測試結(jié)果。采用低熔點金屬Bi 島狀結(jié)構(gòu)作為掩模對連續(xù)的碳薄膜進行反應(yīng)離子刻蝕, 形成無定形碳納米島結(jié)構(gòu): 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(jié)構(gòu)。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(dǎo)電性極佳的C- W復(fù)合膜作為上層發(fā)射層, 利于激活形成電子發(fā)射區(qū)域。無定形碳納米島結(jié)構(gòu)的引入給復(fù)合導(dǎo)電薄膜引入了不均勻型, 這種結(jié)構(gòu)幫助實現(xiàn)電子發(fā)射區(qū)域的形成: 在傳導(dǎo)電流的熱效應(yīng)作用下,復(fù)合層的某些導(dǎo)電通道被燒斷, 形成電子發(fā)射區(qū)域,通過電子發(fā)射區(qū)域的傳導(dǎo)電流的一部分在陽極高壓的作用下到達陽極, 形成電子發(fā)射。在真空度1@10-4Pa 的真空條件下對電子發(fā)射陰極進行了激活, 對其電子發(fā)射性能進行了測試。整個激活過程僅需數(shù)秒鐘, 在時間成本上具有優(yōu)勢。電子發(fā)射均勻穩(wěn)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(fā)射率,向器件實用化方向邁出了重要的一步。