颗粒膜的微观结构演变与表面传导电子发射机理研究

表面传导电子发射平板显示（SED）具有和阴极射线管显示相媲美的显示特性并兼有平板的优点，有望成为未来的主流平板显示技术。然而SED中关键部件阴极发射体材料以及相关表面传导电子发射机理的研究滞后，制约了SED的发展和应用。本项目提出将颗粒膜作为表面传导电子发射显示器的阴极发射体材料，通过改变颗粒膜的制备工艺，调控颗粒膜初始组织结构和微观结构，研究电子在颗粒膜中输运所导致的颗粒膜组织结构和微观结构演变规律，以及电子在所演变成的微纳结构中的输运过程，阐明颗粒膜的初始结构和所形成的微纳结构与表面传导电子发射之间的相互依存关系，以及所施加电压、电流与表面传导电子发射之间的相互依存关系，揭示颗粒膜的组织结构和微观机构的演变规律和颗粒膜的表面传导电子发射机理。本项目研究可为获得具有低电压、电流驱动，高电子发射效率和稳定的SED器件奠定坚实的理论基础。

采用磁控溅射沉积铝-氮化铝和碳钛颗粒膜作为表面电子发射显示器（SED）电子发射源的发射材料。研究了制备工艺参数对颗粒膜特性的影响，获得颗粒膜的性能变化规律；优化原型器件图形化工艺参数，制造出高质量的原型器件；研究了薄膜特性对电子发射性能的影响，探讨了电子发射机理。获得以下结果：靶基距为40mm时薄膜均匀性达到了90％。沉积速率随工作气压出现峰值、随靶材中钛比例的增加而增加；峰值沉积速率达到2.02nm/s。颗粒膜主要成分含有Ti和C，其中C元素部分形成C-C键，部分形成Ti-C键；Ti元素部分和C键合，部分以单质的形式存在薄膜中。电形成过程中薄膜明显变色，光学显微镜、电子显微镜和能量损失能谱确认是金属从薄膜中析出，留下的孔洞导致的；进一步的电形成使这些空洞链接形成纳米缝隙，则电子需要通缩隧穿通过颗粒膜；部分隧穿电子被阳极捕获形成发射电流。我们采用了三电极的SED结构证实了，颗粒膜的低电子发射效率是因为隧穿电子被限制在阴极电场里面。结合F-N理论和三电极SED电子发射特性，可以确定电子发射机理是场发射。三电极的Sed表现出优异的电子发射效率，其能提高电子发射效率达到150倍。另外证明大气环境下电形成的可行性，有望发展成廉价的SED制造工艺。