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改性碳纳米管及其场发射性能研究

'改性碳纳米管及其场发射性能研究'
中国科学院上海微系统与信息技术研究所 博士学位论文 改性碳纳米管及其场发射性能研究 姓名:张继华 申请学位级别:博士 专业:材料物理与化学 指导教师:王曦 20040701 隧1 801 18 ’w 2 0 0 4 车8 贫288 I V 改性碳纳米管及其场发射性能研究 张继华:( 材料物理与化学) 指导老师:王曦研究员 64 7 726 摘要 自从被发现之日起,碳纳米管( C N T ) 就一直是科学界和工程技术界研究的热点问 题,其作为电子发射的冷阴极尤其令人关注。但迄今为止,碳纳米管场发射器件仍未 上市,主要是在发射性能上还存在点密度不够高、电子发射不够稳定等问题,在发射 机理的理解上也存在许多争论。碳纳米管发射性能的改善是其走向产业化的重要一 步。本论文研究的目的就是进‘步弄清发射机制,并通过对碳纳米管进行改性处理, 提高其场发射性能。论文从碳纳米管生长工艺、场发射性能的改善以及场发射平板显 示器制作等三方面进行了较为深入的研究。 建立了一台多功能超高真空系统。采用P E C V D 技术,不仅生长出了高质量的碳 纳米管膜和高定向性的纳米管阵列,还控制生长出Y 分支结构、带刺的碳纳米管、碳 纳米管弹簧等新型碳纳米管结构。此外,P E C V D 还可在玻璃上低温生长碳纳米管膜。 系统研究了等离子体轰击对丝网印刷碳纳米管微结构和场发射性能的影响。发现 碳纳米管微结构在等离子体处理过程中被改变,并提出了这种特殊形态碳纳米管可能 的形成机理。发射性能的提高归因于纳米管电子结构和/或几何结构的变化。同时认 为发射电流和发射点密度随处理时问的变化是发射机理改变的反映——等离子体处 理前,电子主要从纳米管尖端发射,而处理后则变为主要从管壁上的纳米瘤发射。 通过两种方法——改善碳纳米管表面状态( 降低表面势垒) 和衬底.碳纳米管界面 状态( 减薄接触势垒) 米改善P E C V D 碳纳米管膜的发射性能。研究了表面覆铪对碳纳米 管膜发射性能的改善,证明碳化铪的存在使表面逸出功降低,从而在较低电场下便可 获得可观的发射电流,且发射电流在l O ‘2P a 的低真空下也能保持稳定。另一方面,研 究了衬底一碳纳米管接触对场发射性能的影响。认为衬底与碳纳米管间的接触势垒在 场发射过程中起着重要作用。将双势垒模型引入场发射,并据此分析了F o w l e r - N o r d h e i m ( F —N ) 曲线的弯折是由于电子隧穿界面势垒的机制由直接隧穿( 低场区1 变为 F - N 隧穿( 高场区) 引起的。 设计并制作了性能良好的全封装大面积碳纳米管场发射平板显示器( C N T - F E D ) 原型。将碳纳米管发射体与场效应晶体管( M O S F E T ) :器件集成,设计并制作了基- T - S O I 的功率M O S F E T 控制的碳纳米管场发射显示阵列,开辟了一条碳纳米管场发射平板显 示器发展的新途径。 关键词:真空微电子,碳纳米管,化学汽相沉积,场发射,表面改性,平板显示器 场效应晶体管 I I M o d i f i e dC a r b o nN a n o t u b e sa n dT h e i rF i e l d E m i s s i o nP e r f o r m a n c e s J i h u aZ h a n g :( M a t e r i a l sP h y s i c sa n d C h e m i s t r y ) D i r e c t e db y :P r o f e s s o rX iW a n g A b s t r a c t C a r b o nn a n o t u b e s ( C N T s ) h a v ed r a w nt r e m e n d o u si n t e r e s tf r o mf i e l d sr a n g i n gf r o m c o n d e n s e d —m a n e r p h y s i c st oc h e m i s t r y , a n df r o mb o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r y , e s p e c i a l l ya s c o l dc a t h o d ee l e c t r o ns o u r c e .U pt od a t e ,h o w e v e Lf i e l de m i s s i o np r o p e r t i e so fC N T sa r e n o ts a t i s f i e df o r a p p l i c a t i o n s .T h e r ea l s o a r en u m e r o u sa r g u e si nt h eu n d e r s t a n d i n go f e m i s s i o nm e c h a n i s m .T h ep u r p o s e so ft h i sw o r ka r et ou n d e r s t a n de m i s s i o nm e c h a n i s mo f C N T s ,a n dh e n c em o d i f ya N T s t oi m p r o v et h e i rf i e l de m i s s i o np e r f o r m a n c e s .I nt h i st h e s i s , c a r b o nn a n o t u b ei st h ec o m I i l o nt h r e a d t y i n gt o g e t h e r d i v e r s e t o p i c s ,r a n g i n g f r o m m a t e r i a l ss y n t h e s i st om a t e r i a l sm o d i f i c a t i o nt od e v i c ef a b r i c a t i o n , Am u l t i f u n c t i o n a l u l t r a h i g hv a c u u ms y s t e m w a sb u i l tf o rC N T s g r o w t h ,f i e l de m i s s i o n c h a r a c t e r i z a t i o n ,s u r f a c et r e a t m e n t ,v a c u u ms e a l i n ga n da n n e a l .H i 曲q u a l i t yC N Tf i l m s a n da l i g n e dC N T a r r a y sw e r eo b t a i n e du s i n gp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o
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