正交氮化硼微纳阵列的制备及场发射特性研究

Owing to the unique self-similar network nano-surface and sp3 and sp2 hybridization, orthorhombic boron nitride (oBN) has potential application prospect for field-emission cold cathodes. The purpose of this project is to deposit excellent oBN field-emitter arrays with a unique surface and a reasonable height, by a vapor deposition method in combination with photolithography technique. Then we will investigate the influence of the experimental parameters (such as deposition parameters, arrays parameters, co-doping ratio, etc.) on the field-emission properties of the oBN field-emitter arrays by combining both micron/nano arrays and elemental co-doping. Through the systematic analysis of electron source, electron transport path, distributions of tip charge and electric field, the field-emission mechanism of the oBN micro/nano arrays will be explored, which may provide a new way for the discovery of high-efficiency field-emission materials.

正交氮化硼(oBN)以其独特sp3和sp2混合杂化方式及独特的自相似网状纳米表面形貌在冷阴极场发射领域具有潜在的应用优势。本项目旨在利用光刻技术和气相沉积方法，在热解石墨基底上制备出具有特定表面形貌及阵列高度且性能良好的oBN场发射阴极阵列；采用微纳阵列工艺与元素共掺杂相结合的方式，系统地研究薄膜沉积参数、阵列图形参数、元素掺杂比例等实验条件对oBN阵列场发射性能的影响。通过对发射电子的来源、电子传输路径、尖端电荷和电场分布情况的分析，揭示此类oBN 微纳阵列的场发射微观机制，从而为寻求新型高效的场发射材料提供一种新的选择。

本项目研究工作按照研究计划全面展开，并在多方面取得了较好进展。根据研究计划，我们采用射频磁控溅射法，以石墨为基底，通过选用不同薄膜沉积参数,成功制备了不同厚度的高质量纳米晶正交氮化硼（oBN）薄膜。采用紫外光刻工艺在石墨基底上实现了有序的柱状微纳阵列结构。在此基础上, 选用最佳薄膜沉积工艺在优化的石墨阵列上沉积了高质量纳米晶oBN薄膜并对其场发射性质进行了系统的测量。实验结果表明，oBN/石墨阵列的场发射性质随oBN薄膜厚度增加而降低。与高质量cBN薄膜相比，获得的oBN样品的场发射性质得到显著增强。场发射微观机制分析表明，oBN/石墨结构具有良好的界面接触，其界面附近的高浓度导电层为场发射注入了大量的可发射电子。此外，oBN薄膜独特的自相似六角网状互联与孤立的纳米晶粒共存的表面形貌和三维的连续的内部网状结构极大的降低了电子发射的有效势垒高度。该研究结果为oBN材料在微电子学领域的应用奠定了一定的物理基础。到目前为止，项目按计划完成了各项研究内容。此外，我们以二氧化钛纳米管阵列为基础，在电子场发射领域开展了相关的拓展工作。