半导体纳米线的电子输运空间分布对其场发射特性的作用机理研究

Quasi-one dimensional semiconductor nanowires have important applications in vacuum electron source arrays. For further improvement of their field emission characteristics to meet the commercial requirement, it is necessary to have a comprehensive understanding on their field emission mechanism. The electron transportation of semiconductor nanowire is one of the most important influence factors on their field emission characteristics. The study of their electron transportation in microscopic scale is significant to a better understanding of the field emission mechanism. In this project, scattering scanning near-field optical microscope and Kelvin probe force microscope are adopt to study the carrier concentration and contact potential distribution on the nanowire cold cathode. Combining these results with the in-situ electrical and field emission measurements, the relationship between the electron transport spatial distribution and the field emission characteristic of individual semiconductor nanowire is studied which has been taken into account the effect of the field emission penetration field and nanowire self-heating. This project is important to reveal the field emission mechanism of semiconductor nanowire and promote further development of their cold cathode applications.

准一维半导体纳米线在真空电子源阵列中有重要应用前景。要提高准一维半导体纳米线的电子发射效率，以满足实际器件的应用要求，必须清楚了解其场致电子发射机理。电子输运是影响半导体纳米线场发射特性的重要因素，在微观尺度研究半导体纳米线的电子输运现象对于进一步理解其场致电子发射机理有重要意义。本项目拟采用散射式扫描近场光学显微镜和开尔文探针力显微镜来测量纳米线内部和背接触界面的载流子浓度分布和接触电势分布，结合原位电学和场发射特性的测试，并考虑场发射渗透电场的作用和纳米线自发热的影响，对半导体纳米线的电子输运空间分布和场发射特性的关系展开系统的研究。本研究对于揭示准一维半导体纳米线的场发射机理，推动其在冷阴极器件上应用具有重要的科学意义和实用价值。

电子输运是影响半导体纳米线场发射的重要因素。本项目围绕半导体纳米线电子输运分布对其场发射特性作用机理中存在的关键问题展开了研究。获得的主要研究成果如下：.1，建立了纳米线电子输运和场发射特性的原位表征方法.原位表征低维冷阴极物性是准确研究其电子发射机理的基础。我们建立起原位测量纳米线功函数、电学和场发射I-V特性的方法，并且发展了对不同结构样品场发射能谱的表征方法，为研究低维冷阴极电子输运及其对场发射特性的影响提供重要可靠测量手段。.2，建立了考虑发射电流密度影响的半导体纳米线场致热电子发射模型，指导优化纳米线冷阴极特性.要提高半导体纳米线场发射电流，需要准确理解其发射机理和高电流发射引起的热失控过程。我们根据氧化锌纳米线电子输运与场发射特性的关系，建立了考虑发射电流密度影响的半导体纳米线场致热电子发射模型。给出了同时提高杂质浓度和杂质能级以获得高电流密度发射的纳米线电子源阵列的优化方向。优化制备了高发射电流的铟掺杂氧化锌纳米线冷阴极阵列，并应用于平板X射线源。.3，实现了一种通过形貌来调控冷阴极电子输运路径和场致热电子能量的方法，获得波动性小于1 %的稳定电子发射.场致热电子发射与电子输运过程密切相关。调控半导体纳米线的电子输运是利用场致热电子发射机理来提高电子发射特性的关键。我们在硒化钨-氧化锌纳米线复合结构中，实现了通过形貌来调控其电子输运路径和场致热电子能量。通过调控合适的电子输运路径，可获得波动性小于1 %的稳定电子发射。研究结果再次验证半导体纳米线的场致热电子发射机理及其在调控纳米冷阴极发射特性中的作用。.4，探索将场致热电子发射机制拓展应用于提高真空光热电器件的转换效率.我们提出利用场致热电子降低阴极有效功函数的设想，构建可实现热电子发射的MIM结构提高真空光热电器件输出功率密度。同时，在MIM结构电子发射特性研究中，首次发现俄歇热电子发射并建立了其机理。研究结果丰富了场致热电子的应用场合。