碳基纳米冷阴极器件研究

The vacuum micro-nano electron devices are based on field emission theory, and the cold cathode is a important part of the field emission devices. The fabrication of device, application of field emission and reliability analysis for the vacuum micro-nano electron devices are based on the optimum design on structure of the cold cathode and study of the best cathode materials. The nano-materials based on carbon, such as CNTs, TNs, and nano-diamonds are excellent materials for the field emitter because of it with special structure and unique physical and chemical properties. In this study, optimize the structure and improve the emission ability via theoretically analysis for the nano cold cathode devices, and investigate a new conductive or semiconductive nano materials based on carbon. In addition, preparet a new nano cold cathode device. These works provide effective reference datum for the development of the vacuum micro-nano electron devices and fabrication of the nano electron devices.

多数真空微纳电子器件是以场致电子发射理论为基础，而场致发射器件的核心是冷阴极。阴极结构的优化设计与优质阴极材料的研制是真空微电子学的重要内容之一，也是微电子器件的制造、场致发射应用以及可靠性分析的基础。由于碳纳米管、氮化碳、纳米金刚石等碳基纳米材料具有特殊结构和优异的物理化学性质,被认为良好的阴极发射体材料。本课题，通过对纳米冷阴极器件的结构与发射性能进行理论分析，优化器件结构、提高其发射性能，研制新型金属性或半导体性碳基纳米材料，在此基础上，实验制备新型优质纳米冷阴极器件（如：纳米传感器、显示器及电子源等），且对器件的各种性能进行实验检测，这对真空微电子器件的进一步发展、实际器件的制备及性能的改进提供具有参考价值的数据。

冷阴极是真空微纳电子器件的核心部分，以场发射理论为理论基础。阴极结构的优化设计与优质阴极材料的研制是真空微电子学的重要内容之一，也是微电子器件的制造、场致发射应用以及可靠性分析的基础。自1961年美国SRI的K. Shoulders教授提出微型真空管的概念以来，场发射冷阴极的研究已经历五十多年，并且在器件设计与材料研制方面都有了很大的进展。与此同时，冷阴极在纳米电子源、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、电子全息仪、微波功率器件、纳米传感器件、新一代平板显示器以及其它多种真空纳米电子器件中都具有了非常大的应用前景。各种半导体或金属性纳米线以及氮化碳、碳纳米管、类金刚石、石墨烯等碳基纳米材料是近年来引起人们关注的良好场发射冷阴极材料。尤其，碳纳米管、石墨烯以及其各种复合材料，由于具备优异的物理化学性质，使其成为新一代的场发射阴极材料之中的明星。但是，阴极器件的制备工艺，结构优化方面还需要更多的理论依据和实验手段，器件性能进一步提高。本项目，按照计划，首先对碳纳米管冷阴极器件进行理论分析，优化设计了几种不同的结构模型，在此基础上，分析了器件几何结构与电阻率等参数对阴极发射电流、场增强因子特性的影响，另外，以碳基纳米材料为主题，研制了镀金石墨烯阴极、碳纳米管与石墨烯复合阴极、包银二氧化钛与石墨烯复合阴极、二氧化钛与碳纳米管复合阴极以及氧化铜与其它碳基纳米复合阴极，并且对其形貌、结构特征进行试验表征和场发射特性研究，从而获得了新型优质的碳基纳米冷阴极器件。研究表明，金纳米颗粒或银颗粒的参入，可以降低碳基纳米冷阴极器件的接触电阻，与此同时，也可以增加发射点密度以及衬底与发射体之间的附着力，从而可以提高发射电流密度及其稳定性。这对真空微电子器件的进一步发展、实际器件的制备及性能的改进提供具有参考价值的数据。