基于石墨烯材料的场发射器件研制

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1、2018届研究生博士学位论文分类号：学校代码：10269密级：学号：52141213013EastChinaNormalUniversity博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：基于石墨烯材料的场发射器件研制院系：信息科学技术学院电子工程系专业：微电子学与固体电子学研究方向：微电子机械系统指导教师：王连卫研究员学位申请人：张弛2018年10月30日Dissertationformasterdegreein2018UniversityCode:10269StudentID:52141213013EastChinaNormalUni

2、versityTitle:StudyofFieldemissiondevicesbasedongrapheneDepartment:DepartmentofElectronicEngineeringMajor:Microelectronics&SolidStateElectronicsResearchdirection:MicroelectricalMechanicalSystemsSupervisor:ProfessorLianweiWangCandidate:ChiZhangOctober,2018张弛博士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称单位备注

3、王庆康教授上海交通大学主席张卫平研究员上海交通大学彭晖研究员华东师范大学敬承斌研究员华东师范大学越方禹研究员华东师范大学II摘要近十来年，石墨烯材料在储能、太阳能电池、传感器、场发射器件等领域得到了广泛的应用。特别是在场发射器件中，石墨烯越来越成为热门研究材料。三维图案化的硅衬底作为场发射器件的衬底，既有独特的衬底结构又可与集成电路兼容。本文利用MEMS工艺制备了硅尖和硅微通道板（硅MCP）两种三维硅衬底，在衬底上沉积石墨烯，得到了石墨烯/三维硅结构，开展了其在场发射器件方面的研究工作。首先，使用电泳法制备了石墨烯/Ni/硅尖结构的场发射器件。使用过超

4、声法对石墨烯进行改良。改良后的石墨烯均匀地沉积在Ni/硅尖的尖端，呈现花瓣状。仿真结果说明这种石墨烯/Ni/硅尖结构的尖端可以发射大量的电子。场发射测试结果显示，改良后的单个石墨烯/Ni/硅尖结构在电场为0.32V·μm-1时就可以测试到场发射电流。场发射电流最大可以达到24.8μA，且此时电场强度仅为2.13V·μm-1。这说明改良石墨烯/Ni/硅尖结构为场发射电子源器件的发展提供了崭新的思路。其次，本文使用MEMS工艺和光辅助电化学刻蚀法制备了三维硅衬底——硅MCP。这是一种5μm×5μm的有序方孔网络结构，通道壁厚1μm，通道长250μm。使用无

5、电镀沉积法，在硅MCP的表面沉积镍薄膜，使得衬底导电化，成为宏孔导电网络（MECN）。通过溶剂热渗碳的方法，往MECN表面的镍颗粒里渗入碳，成为碳化镍。经过退火，碳化镍分解为镍与纳米石墨烯，得到纳米石墨烯/MECN三维结构。这种方法克服了传统石墨烯制备方法在选择衬底上的局限性，成功在三维衬底上沉积了纳米石墨烯。接下来，使用氧化锌纳米棒对纳米石墨烯进行修饰，制备出ZnO纳米棒/纳米石墨烯/MECN。得到的ZnO纳米棒长600nm，直径为70nm。它们均匀地垂直生长在纳米石墨烯/MECN的表面，对石墨烯进行修饰。这种结构开启场强（Eon）低至0.5V·μm

6、-1，场发射增强因子（β）为25550。在高、中、低三种电流密度下，都有较好的循环稳定性。ZnO纳米棒/纳米石墨烯/MECN的场发射性能明显优于其纵向对比的ZnO/MECN（E-1on=0.7V·μm、β=25309）、纳米石墨烯/MECNIII（Eon=2.1V·μm-1、β=3244）和MECN（Eon=4.7V·μm-1、β=200）。本论文通过理论分析和仿真分析，解释了这个结构拥有优秀场发射性能的原因。图形化的三维导电结构MECN衬底有效避免了静电屏蔽效应，并提供了更多的场发射点。ZnO纳米棒和纳米石墨烯互相接触，形成了金属-半导体接触，产生了

7、一个异质结。这种异质结使得纳米石墨烯和ZnO纳米棒之间的接触势垒降低。电子更容易从纳米石墨烯隧穿到ZnO纳米棒。和以往的报道相比，本论文中ZnO纳米棒/纳米石墨烯/MECN拥有更为杰出的场发射性能。最后，我们通过掺杂铟，对ZnO和石墨烯的混合场发射材料三维硅衬底场发射器件进一步优化。在纳米石墨烯/MECN的基础上，沉积不同比例的掺In的ZnO纳米颗粒，得到In-ZnO/纳米石墨烯/MECN。通过不同比例的横向对比，得知10%是最佳掺杂比例，10%In-ZnO/纳米石墨烯/MECN的场发射性能最佳。它的开启场强低至1V·μm-1，阈值电压低至3.7V·μ

8、m-1，最大电流密度高达2.88mA·cm-2，场发射增强因子为27918。10%In-ZnO