基于纳米多孔硅电子源的无放电气体激发发光研究

Discharge-free gas-excitation luminescence based on nanocrystalline silicon (nc-Si)electron emitter is a type of luminescence form with a novel physical mechanism, which utilizes electrons emitted from a porous polycrystalline silicon electron emitter and injected into a gas space to directly excite gas atoms in the case of no gas-discharge. This luminescence has some prominent advantages, such as high luminous efficacy and environmental protection, so it has good application prospects in the aspects of green energy-saving light sources and novel flat panel display devices. Research on the mechanism and the applications of this novel luminescence not only is an international cutting-edge research in the fields of photoelectron luminescence and display technologies but also accords with the requirements of development stratages of Chinese electric light source and flat panel display industries. The basic researches on nc-Si electron emitters applied in gas ambience and atomic excitations induced by electrons emitted from these electron emitters will be carried out in this project. The research works include: research on the relations between fabrication technology, microstructures and electron emission properties of nc-Si electron emitters and the factors influencing current density, energy distribution and emission stability of emitted elctrons; establishment of the electron emission theory of nc-Si electron emitters applied in gas ambience and exploration of the optimal conditions being favorable to electron emission; research on the spatio-temporal evolutions of atomic excitation and vacuum ultraviolet emission; development of prototype devices based on this luminescence technology. The research results have important scientific significances and application values to the reveal of electron emission law of nc-Si electron emitters in gas ambience and the development of novel luminescence technology.

基于纳米多孔硅电子源的无放电气体激发发光是利用多孔多晶硅电子源向气体空间注入电子，并且在不产生气体放电的情况下直接激发气体原子的一种具有新型物理机制的发光形式。它具有发光效率高和环保等突出优点，在绿色节能光源和新型平板显示器件等方面拥有很好的应用前景。对这种新型发光的机理和应用研究既是国际前沿课题，也符合我国电光源工业和平板显示工业发展的战略需求。本项目将开展气体环境中应用的纳米多孔硅电子源及其发射电子对气体原子激发的基础研究。通过制备纳米多孔硅电子源，研究多孔硅制备工艺、微观结构及电子发射性能之间的相互关系和影响发射电子电流密度、能量分布、发射稳定性的因素；建立气体环境中多孔硅的电子发射理论，探讨获得最佳电子发射性能的条件；研究注入电子对气体原子的激发发光过程；开展利用此发光技术的器件研制。研究成果对于揭示气体环境中纳米多孔硅电子发射规律和开发新型发光技术，具有重要的科学意义和应用价值。

基于场发射电子源的无放电气体激发发光是一种具有新型物理机制和高发光效率的发光形式，在绿色节能光源和新型平板显示器件等方面有很好的应用前景。本项目重点开展了可作为该新型发光形式中电子源应用的多孔硅和纳米硅薄膜的制备工艺对材料微观结构的影响规律和影响机制，多孔硅电子源和纳米硅薄膜电子源的电子发射性能、发射机理和影响因素。. 采用脉冲电流阳极腐蚀法制备出深度方向上孔隙均匀的多孔硅层，测试了其电子发射特性及发射电子轰击荧光粉的发光性能，结果表明，与采用恒流阳极腐蚀法制备的多孔硅相比，前者的电子发射效率、发射均匀性和稳定性均得到显著提高；提出了将高压水蒸气退火与电化学氧化法处理相结合的钝化方法，可使多孔硅层的氧化均匀性得到显著改善，并且可提高多孔硅表层的氧化程度，从而有利于电子在多孔硅层内部电场加速中获得更高的能量；采用两种腐蚀电流交变的脉冲阳极腐蚀法制备的多层多孔硅，经过高压水蒸气退火和电化学氧化处理后，发射效率和发射电流密度分别达到6.4%和130μA/cm2。. 采用磁控溅射法与高温退火处理相结合制备出纳米硅薄膜，研究表明，采用溅射硅靶制备纳米硅薄膜时，在沉积SiOx薄膜过程中，通过调节基底温度和氧气流量，可以控制最终形成的纳米硅薄膜中的硅晶粒尺寸；SiOx薄膜在高温氧气环境中退火有助于硅团簇的形成；采用溅射掺磷硅靶制备的掺磷纳米硅薄膜电子源，可产生较高的电子发射效率和发射密度；采用优化工艺制备的纳米硅薄膜的发射电流密度和发射效率分别达到4.2％和63μA/cm2，而且电子发射均匀、稳定。. 此外，在本项目资助下，项目组还开展了氧化镁/金属复合薄膜二次电子发射材料和新型结构表面传导电子发射源的前期研究。提出了一种MgO/Au复合薄膜结构和一种控制Au含量及其在薄膜中分布的溅射方法，分析了复合薄膜制备过程中金沉积对氧化镁晶粒生长的影响，制备出二次电子发射性能得到明显提高的MgO/Au复合薄膜。提出了一种新型表面传导电子发射源结构，在电子源的导电膜间设置凸起，可以有效控制在电形成过程中纳米缝隙的形成位置，从而提高了电子源电子发射的均匀性和发射效率。. 项目研究结果对于提高多孔硅电子源和纳米硅薄膜电子源的性能，促进基于场发射电子源的无放电气体激发发光技术的发展，以及探索更高性能的电子发射源，具有重要的科学意义和应用价值。