表面传导电子发射材料与新型电子源结构研究

Surface-conduction electron emitter (SCE) has the potential application in the high-end studio display, maskless production of integrated circuit, flat panel detection imaging and vacuum electronic devices, the materials for conductive film, the controllable nano-scale fissure formation and the high electron emission efficiency are the key issues for SCE research.In this study, the conductive films composed of nitrogen, silicon and metal is obtained by the reactive co-sputtering, the composition and preparation technology of the electron emission film material is determined through the microscopic analysis of the film together with the electron emission experiments. The controllable nano-scale fissure formation is investigated by designing a special conductive film pattern and optimizing the nano-scale fissure electric-forming parameters. The improvement of the electron emission efficiency for SCE is explored by using a new electron emitter structure, in which the nano-scale fissure is prepared on a bump part and the secondary electron emission film is introduced to increase the effective electron emission. This research involves the multiple disciplines, such as thin film preparation and analysis, vacuum electronics and microelectronic device manufacturing. It is expected that the conductive film material composition and the new SCE structure with stable and high electron emission efficiency can be obtained, the nano-scale fissure formation mechanism can be revealed and the controllable nano-scale fissure manufacturing technology can be accomplished. All these will provide technical support and theoretical guidance for the application of the plat panel SCE array. Therefore, this research work has important scientific significance.

表面传导电子发射源在演播室高端显示、集成电路无掩模制作、平板探测成像以及真空电子器件中具有潜在的应用前景，导电薄膜材料、纳米裂缝可控制作以及高效率电子发射是表面传导电子发射源研究的关键所在。本研究采用反应共磁控溅射法制备氮、硅和金属的复合物薄膜作为导电薄膜，通过薄膜微观分析并结合电子发射实验，确定电子发射薄膜材料组成和制备工艺；通过设计特殊形状的导电薄膜，优化纳米裂缝的电形成工艺参数，探索纳米裂缝的可控制作；通过采用将纳米裂缝制备在突起部位和引入二次电子发射薄膜的新型表面传导电子源结构，探索提高表面传导电子发射效率。研究涉及薄膜材料制备与分析、真空电子学及微电子器件制造等多个学科门类，通过研究有望获得稳定、高效率表面传导电子发射源导电薄膜材料组成和新型电子源结构，揭示纳米裂缝形成机理并得到纳米裂缝的可控制作技术，为平面电子源阵列的应用提供技术支持和理论指导，研究工作具有重要的科学意义。

表面传导电子发射源在平板显示器件、真空微电子器件等领域具有潜在的应用，导电薄膜材料、纳米裂缝的可控制作以及高效率电子发射是表面传导电子发射源研究的关键所在。本项目围绕上述关键问题，通过实验及数值模拟对表面传导电子发射源进行系统深入的研究。研究了W-Mo-Si、N-Si-W和Nb-Si-N三元复合薄膜的磁控溅射制备，实验研究了以上述薄膜作为导电薄膜的电子源的电子发射特性，获得了导电薄膜制备的优化参数，通过控制不同元素的组分获得了较好的电子发射性能。提出了具有特殊导电薄膜以及设置突起介质的新型表面传导电子发射源结构，结合电形成工艺参数的控制，实现了导电薄膜上制备稳定、均匀的纳米裂缝，改进了电子源电子发射的均匀性和电子发射能力；通过数值热分析对电形成过程中的焦耳热分布进行了数值模拟计算，在阐明电形成机理的同时，为电子源导电薄膜的结构设计提供了有益的参考。基于所提出的内凹导电薄膜结构及中间突起结构表面传导电子发射源，实验获得高效率的电子发射，尤其是中间突起结构电子源的发射效率达到7.79‰；结合纳米裂缝的微观结构分析，发现中间突起结构电子源实现高效率电子发射主要是由于所形成的纳米裂缝具有“立体”构造，使隧穿电子更容易被阳极基板所收集；数值模拟获得了电子源纳米裂缝附近的电场分布和电子运动轨迹，很好地解释了纳米裂缝的非共面结构有利于提高场致发射电子被阳极收集的概率。提出了具有三角柱介质结构的表面传到电子发射源，对其进行了系统的数值模拟分析，获得了器件结构的优选参数；结果表明该电子源的三角介质顶角选取80°左右可在更宽阳极电压范围内保证电子源维持较高的电子发射效率，且电子束聚焦特性较好。项目研究结果对推动表面传导电子发射源的应用具有重要的理论意义和实用价值。项目研究期间发表SCI收录12篇，获授权发明专利3项，培养博士生3名、硕士生8名。