W18O49纳米线有序阵列的图案化低温制备工艺及其原型器件结构的场发射特性研究

采用化学气相沉积法、磁控溅射方法结合紫外光刻工艺及陶瓷模板套刻工艺，以W粉或W膜为源材料，实现新型单一相氧化钨(W18O49)纳米线阵列的图案化低温定域生长。利用XRD(X射线衍射)、Raman(拉曼光谱)和TEM(透射电子显微技术)来确定新型氧化钨纳米线的成份、晶格结构及其生长方向；应用UPS技术来确定W18O49纳米线的表面电子亲合势；应用微探针原位测试技术测试单根纳米线的电导特性和场发射特性，研究其场发射机制。最后将图案化的W18O49纳米线阵列集成到场发射二极器件结构和发光管原型器件中，研究其开启和阈值电场，最大发射电流，稳定性、均匀性以及亮度和发光效率等特性，以确定具有最佳场发射特性的纳米线阵列的图案化制备工艺条件以及其在场发射领域中的应用前景。

本项目围绕氧化钨纳米线阵列的图案化低温定域制备技术及其器件工作特性研究开展工作，经过努力顺利完成了当初的项目目标：第一、利用磁控溅射法结合化学气相沉积法，获得了二氧化钨纳米线有序阵列的最佳低温制备条件是，400 oC氢气处理0.5 h，随后再在Ar的气氛下在500 oC下保温生长2 h，生长气压为200-1000Pa；三氧化钨纳米线的最佳生长条件是400 oC，氢气处理0.5 h，随后再在Ar的气氛下在520 oC下保温生长2 h，生长气压为0.5-1个大气压；第二、利用紫外光刻工艺和陶瓷模板套刻工艺，通过催化剂定位的工艺分别实现2英寸Si衬底上的氧化钨纳米线阵列的图案化定域制备；第三、研究结果表明：WO2为单斜单晶结构，生长方向为[0-11]，而WO3纳米线为沿着[010]生长的单斜单晶结构；第四、将图案化的氧化钨纳米线有序阵列集成到本实验室研制的场发射器件结构中，WO3纳米线阵列的开启电场低至0.65 V/μm，阈值电场约为2.9 V/μm，最大电流密度达到18.3 mA/cm2。而WO2纳米线阵列比WO3纳米线阵列表现出更加优越的场发射特性，它的开启电场低至0.8 V/μm，阈值电场为2.46 V/μm，最大电流密度达到12.1 mA/cm2。它们也同时表现出了良好的发射电流稳定性和均匀性。在本项目资助下，发表SCI和EI及ISTP论文20余篇，申请中国国家发明专利2项，撰写国外论著一章，同时申请人也获得教育部“新世纪优秀人才支持计划”和广东省“千百十人才工程计划”的支持，相关研究成果也获得了两届广东省科技协会的“南粤科技创新优秀学术论文一等奖”及一届中国电子协会真空电子学分会优秀青年论文二等奖。