新型自汇聚场发射电子源的理论模拟与实验研究

场发射显示器件面临的一个基本问题是场发射电子束的发散，目前采用聚焦电极（即第四电极，另外三个电极为阴极、栅极、阳极）控制电子束的发散，导致场发射电子源结构复杂、场发射效率低下。本项目以获得具有自主知识产权的场发射电子源为目标，研究设计新型场发射电子源结构，利用栅极与阳极产生的电场控制场发射电子的运动轨迹，使电子向中心汇聚，从而无需聚焦电极即可降低甚至消除电子束的发散，简化场发射电子源的结构；本项目拟以薄导电膜及碳纳米管为场发射阴极，深入研究电场分布与电子运动轨迹的关系，并结合薄导电膜和碳纳米管的场发射特性，通过理论模拟和实验研究，优化场发射电子源参数，简化器件结构与制备工艺，研制电子束发散小、结构简单、场发射效率高的新型场发射电子源，为开发具有自主知识产权的场发射显示器件奠定基础。初步的理论模拟结果表明无需聚焦电极且电子束发散小的新型场发射电子源是可行的。

场发射在冷阴极平板显示、X射线源、真空微纳电子系统和小型微波发生器等方面的研究受到了科研人员的高度重视。在冷阴极平板显示领域，电子源结构和阴极材料的研究处于核心地位。对于电子源结构，本项目设计了一种新型自汇聚场发射电子源，采用平面栅极结构，即栅极置于中央，被阴极所包围，场发射阴极材料放置于栅极和阴极之间，利用栅极与阳极产生的电场控制场发射电子的轨迹，使电子向中心汇聚，降低电子束发散，简化了场发射电子源的结构。首先在理论上，利用有限元方法，研究了栅极的大小、栅极与阴极间隙、阴极结构等场发射电子源结构参数和栅极电压、阳极电压等电参数以及场发射材料的结构和种类对电子源中电场分布和电子束发散的影响，结果表明，通过调整结构参数和电参数可以降低电子束的发散；增加场发射材料的相对介电常数和降低纳米阵列材料的阵列间距同样可以影响电子源中电场分布从而降低电子束的发散，因此，为实验研究提供了理论基础。对于阴极材料，本项目从理论和实验上对其场发射性能进行了深入研究。功函数是影响材料场发射性能的重要参量，利用第一性原理，研究了吸附碱金属对于碳纳米管功函数的影响。结果表明，碳纳米管吸附碱金属原子后，功函数明显降低，并且碳纳米管的功函数可以采用吸附不同的碱金属原子来进行调节。功函数的降低主要来自吸附碱金属后碳纳米管与碱金属原子间电荷转移，这使得碳纳米管费米能级有所提高。实验上制备了多种纳米材料，研究了其场发射性能。在对电子源结构和阴极材料的理论和实验研究的基础上，制备了自汇聚型场发射电子源，并对其场发射性能进行研究。本项目在研究过程中所获得的原创性成果，具有较高的理论价值和良好的应用前景,为开发具有自主知识产权的场发射显示器件奠定了基础。