場致發(fā)射材料的應用與發(fā)展解析(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上場致發(fā)射材料的應用與發(fā)展紀石，化學系場致發(fā)射材料簡介場致發(fā)射材料就是在外加真空電場的作用下會釋放出電子的材料。電子逃離物體表面受到向內(nèi)的作用力，即表面勢壘。假定材料中的電子分布服從費米-狄拉克統(tǒng)計，能量高于費米能級的電子數(shù)量幾乎為零。若費米能級低于表面勢壘則沒有電子能夠逃離物體的表面，費米能級與表面勢壘之差值稱為功函。若使電子逃離表面，一方面可以提高溫度以提高費米能級克服功函，這就是常見的熱陰極技術(shù)；另一方面可以外加真空電場，降低表面勢壘，就是場致發(fā)射技術(shù)。 圖1是某種場發(fā)射材料的發(fā)射電流-真空電壓曲線1。由圖中曲線可看出，當電壓在很低時（<60V），發(fā)射電流幾

2、乎為零，而且存在一個柵壓閾值（80V），當外加電壓大于這個閾值時，發(fā)射電流急劇升高。柵壓閾值隨材料的不同而不同，是表圖1某種場發(fā)射材料的i-v曲線 征場致發(fā)射材料的最重要的物理參數(shù)。幾十年來，人們不斷的發(fā)現(xiàn)與合成新的場致發(fā)射材料，都在追求著更低的柵壓閾值。除此之外，材料的物理化學穩(wěn)定性，加工方法，成本價格都在考慮之列。最早最常用的是具有常溫抗氧化能力、高熔點的過度元素金屬。場致發(fā)射材料的應用場致發(fā)射材料的主要應用方面有平板顯示器以及其他需要電子發(fā)射器件的儀器，如電子顯微鏡等。在平板顯示器上的應用甚至是帶動了幾乎全部的場致發(fā)射材料的研究。在原理上，以場致發(fā)射材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CTR技術(shù)的熱陰極作為電

3、子發(fā)射源，即為場致發(fā)射顯示器（FED）。最早進行場致發(fā)射顯示器（FED）開發(fā)的是法國的Pixtech公司，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且已經(jīng)投入市場，初步具有一定的市場規(guī)模。FED相比較于傳統(tǒng)的CTR技術(shù)的顯示器，具有如下的優(yōu)點：冷陰極發(fā)射，因而發(fā)熱量??；低工作電壓，因而能耗少；自發(fā)光亮度高；平面顯示，具有寬視FED型號FE532MFE532HBE532CPEXXXLPFE85XMFE85YC尺寸/cm131313122222亮度/fl70150/30040/7515/2575/100/40/60分辨率320/240320/240320/2401/2VGAVGAVGA功率1W3/6W3/6W250

4、/400mW2/4W4/8W顏色白綠彩色彩色綠彩色工作溫度/-20+70-40+85-20+07-20+70-20+70-20+70封裝尺寸/mm120×100×20120×100×20130×120×35TBDTBDTBD商品化時間199619961997199819971997表1部分已商品化的FED2角；響應速度快；可以在很寬的環(huán)境溫度變化范圍下工作，因而可以得到更廣泛的應用2?；谌绱说膬?yōu)良性能，很多人認為同時擁有CTR高畫質(zhì)、LCD薄型低耗雙重優(yōu)點的FED可以成為下一代平板顯示技術(shù)的主流。很多國家、公司投入巨額資金進行其核心

5、及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。除前述法國的Pixtech，韓國的Samsung，以及日本、美國、臺灣地區(qū)的諸多大型公司都投入了一定的資金進行研究。Samsung公司也已經(jīng)推出其產(chǎn)品。但是也有些公司對FED的前景持觀望甚至是懷疑的態(tài)度，例如德州儀器本來參與了Pixtech的開發(fā)計劃，后又從其中撤資。FED的商品化還面臨諸多尚待解決的問題，例如：發(fā)射體發(fā)射機制的研究；優(yōu)化器件參數(shù)結(jié)構(gòu)、尤其是陽極電壓的設計；真空封裝工藝；擴大顯示面積，改善發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性；提高壽命、降低制造成本3。由其實目前最廣泛應用的第一代FED材料，主要為難熔的過度元素金屬，雖然技術(shù)成熟性能優(yōu)良，但是其加工過程涉及到精密光刻、化學刻蝕、

6、薄膜沉積等工藝技術(shù)造成高成本，難以實現(xiàn)大屏幕4。因此現(xiàn)在的主要攻關(guān)項目在于降低陰極成本，尋找新的發(fā)射體材料和結(jié)構(gòu)，排除精密光刻和刻蝕的高成本工藝。目前實現(xiàn)30至60英寸的大屏幕已成為業(yè)界的普遍共識4。場致發(fā)射材料研究的歷史與新進展很早人們就發(fā)現(xiàn)了場致發(fā)射的現(xiàn)象。場致發(fā)射的研究最早是金屬材料。目前使用最廣的場致發(fā)射材料也是金屬，主要有鎢、鉬等，金屬鎢應用較早、較廣。人們最先想到的是采用鎢作為場致發(fā)射陰極，根據(jù)燈絲的啟示，隨著超高真空技術(shù)的發(fā)展，鎢場致發(fā)射的性能不斷得到改善。1954年，從鎢尖發(fā)射2.5mA直流電流只能持續(xù)5h左右。到了1960年，發(fā)射75mA直流電流可持續(xù)1000h左右，而且管內(nèi)

7、存放1000h后發(fā)射電流仍無變化。目前，鎢尖場致發(fā)射電子槍已在電子顯微鏡中得到實際應用5。1968年C ASPindt首次報道利用電子束加工技術(shù)和薄膜技術(shù)進行鉬微尖場致發(fā)射陣列陰極(也即薄膜場發(fā)射朗極TFFEC或Spindt陰極)的制作和測試6。1976年又報道了大面積TFFEC的制造技術(shù)和物理特性，并得到了普遍認可7。1979年，Himpsel等人發(fā)現(xiàn)金剛石具有負電子親和勢。由于負電子親和勢會導致一個較低的逸出功，使金剛石薄膜的閉值場遠遠小于金屬的閉值場。同時，還具有發(fā)射效率高、導熱率高、表面穩(wěn)定性好等優(yōu)點。采用金剛石薄膜作為發(fā)射體，既可以采用微尖結(jié)構(gòu)，也可采用平面結(jié)構(gòu)，這就使得制造工藝大為

8、簡化，因此，以金剛石材料作為冷陰極場致發(fā)射器件受到了人們的關(guān)注8。納米碳管是1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種碳結(jié)構(gòu)，由于其良好的導電、機械及半導體性能，成為場致發(fā)射研究的熱點。近年來，各種半導體絕緣體的納米結(jié)構(gòu)成為場致發(fā)射材料的研究熱點，碳、金屬氧化物、金屬氮化物、III-V化合物的納米顆粒、納米線、納米帶、納米管、納米柱、納米椎作為場致發(fā)射材料的研究都見于報導。碳納米管作為場致發(fā)射材料的研究，近年熱度有所下降，所報道的文獻也不多見。圖2是典型的碳納米管的真空電壓發(fā)射電流曲線圖1。從圖中可以看出柵壓閾值在80v左右，并且當電壓值達到90v以上時，發(fā)射電流會突然降低。圖2碳納米管場發(fā)射伏安曲線1 研究表

9、明，對碳納米管場致發(fā)射性能影響最大的因素是納米管頂端開放邊緣的結(jié)構(gòu)，這種因素的影響甚至遠遠超過了管徑、管長、管壁層數(shù)等因素的影響。研究還表明，發(fā)射電流的突然降低是由于管端開放邊緣的高溫氣化引起的。為了得到具有高場致發(fā)射性能的碳納米管，應由傳統(tǒng)的封閉碳納米管向開放頂端邊緣的碳納米管方向發(fā)展，但是頂端開放邊緣的高溫氣化現(xiàn)象會限制碳納米管作為場致發(fā)射材料的發(fā)展。碳納米纖維也是場致發(fā)射材料的研究熱點。最近報道的在硅基片上以鎳為催化劑合成的碳納米纖維，其場致發(fā)射開啟電場3.5MVm-1、持續(xù)放電電場6.6MVm-19。也有摻雜的碳納米管作為場致發(fā)射材料的研究，例如CNx（x<9%）納米管10。研究

10、者在n型硅基片（100）上合成了呈竹節(jié)狀的CNx納米管，并且認為氮原子的摻雜可以加強碳納米管的場致發(fā)射性能。最近還有報道在碳納米管的頂端鑲嵌金的納米顆粒，得到的材料其場致發(fā)射開啟電場僅為1-2Vm-112，可與下文將提到的氧化改性的金剛石顆粒媲美，但是貴重金屬的使用會提高成本和造價。但是由于碳的對熱、對氧化的低穩(wěn)定性，限制了這一大類的場致發(fā)射材料的發(fā)展。 金剛石作為場致發(fā)射材料的研究近年也見于報道，該方面的研究趨勢也向氧化12、摻 圖3竹節(jié)狀CNx納米管10 雜13等方面發(fā)展。最近報道的將直徑4-5nm的金剛石顆粒，通過氧化的方式使其表面被均勻的覆蓋上一層焦炭，發(fā)現(xiàn)其場致發(fā)射的持續(xù)放電電場由未

11、改性的原金剛石顆粒的4-6Vm-1降至1-2 Vm-1，并且放電的電流穩(wěn)定性均勻性都得到了改善12。前些年還報道過磷摻雜的金剛石的薄膜作為場發(fā)射材料的研究13。以CH4、H2中摻雜少量PH3作為反應氣， 圖4表面氧化改性的金剛石納米顆粒12 通過化學氣象沉積（CVD）的方法合成磷摻雜的金剛石薄膜，其場致發(fā)射的開啟電場由不摻雜的金剛石薄膜的約15Vm-1降至約10 Vm-1。但是由于表面的物理形態(tài)的緣故，薄膜的場致發(fā)射性能無法與同材料的顆粒等具有尖端的物理形態(tài)相比，因此薄膜作為場致發(fā)射材料的研究越來越少。但是金剛石的合成比較困難，造價很高，使其很難得到實際的應用。近年來，由IIIA族元素與VA組

12、元素組成的III-V化合物成為了納米科技界的研究熱點。AlN的各種納米結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射性能更是廣受關(guān)注。傳統(tǒng)的觀點認為只有層狀結(jié)構(gòu)晶體的物質(zhì)才能合成納米管，因此當AlN等非層面結(jié)構(gòu)化合物的角面納米管一誕生，就被廣泛的研究。有報道研究了頂端開放的氮化鋁的納米管的場致發(fā)射性能14，但是效果并不理想，柵壓閾值很高，并且認為頂端開放的結(jié)構(gòu)對場致發(fā)射的性能有很大的貢獻，與前文中對碳納米管的觀點相似1。也有報道AlN納米線的場發(fā)射性能的研究15，所得結(jié)果很好，在1Vm-1左右的電場下，發(fā)射電流密度已達到約1mAcm-2，研究認為AlN的很小的電子親和能和納米線的一維結(jié)構(gòu)導致了良好的場發(fā)射性能?；诩舛朔烹姷?/p>

13、考慮，有研究圖5 一維AlN納米線15 圖6 AlN納米椎16者合成了AlN的納米椎1617，以及纖維狀AlN單晶納米柱18，并研究了其場發(fā)射性能。納米椎在物理形態(tài)上有一定的優(yōu)勢除了尖端之外，基座較粗，因而與基板結(jié)合牢固，但是結(jié)果并不理想，當真空電場達到10-20Vm-1時才能產(chǎn)生可觀的發(fā)射電流。而單晶納米柱結(jié)果較好，開啟電場2.45-3.76Vm-1，持續(xù)放電電場3.67-5.17 Vm-1但是納米柱相對于納米椎防止物理震動的穩(wěn)定性不好。由于AlN為絕緣體，可能導致場發(fā)射性能不佳，因而摻雜以提高導電性能可能成為下一個研究方向。過度金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)是近幾年才被作為場致發(fā)射材料而廣泛研究的。被

14、研究的較多的是ZnO。有報道研究了在Ga摻雜的導體ZnO薄膜上垂直生長的ZnO納米針陣列的場致發(fā)射效應19。開啟電場約18 Vm-1，當電場達到24 Vm-1時，發(fā)射電流可達到0.1mAcm-2。有報道合成了具有碳纖維外套的ZnO納米線， 圖7 ZnO納米針陣列19 圖8 具有碳纖維外套的ZnO納米線20具有驚人的場致發(fā)射性能，在外加電場0.7 Vm-1時，發(fā)射電流可以達到1 mAcm-2，是見于報道的最好的20。研究者認為，ZnO納米線的內(nèi)在的幾何因素以及碳纖維外套的均一整齊的形態(tài)導致了良好的場致發(fā)射性能，同時納米線的長度、碳纖維的厚度及密度都會影響到其場致發(fā)射性能。 金屬鉬作為最早的場致發(fā)

15、射材料之一，近年已很少被研究，但仍有報道研究鉬及其氧化物的納米線陣列的場致發(fā)射性能的21。研究表明MoO2的納米線陣列場致發(fā)射性能略由于金屬Mo，而MoO3的場致發(fā)射性能略差于金屬Mo；而且MoO2的穩(wěn)定性要優(yōu)于金屬Mo。鎢的氧化物的場致發(fā)射性能的研究也見于報道22。研究表明WO2.9的納米棒具有很小的直徑，其場致發(fā)射的開啟電場只有約1.2 Vm-1，比金屬鎢及其他鎢的氧化物性能都優(yōu)。 硅化物作為場發(fā)射材料的研究非常少見，最近有報道研究硅化鈦的場致發(fā)射性能23。研究者先在純硅的表面以堿液刻蝕出微尖，再與鈦的蒸汽反應后退火，制得TiSi2微尖。其場發(fā)射電流高于純硅發(fā)射陰極，而具有較的開啟電壓，并

16、且發(fā)射電流的穩(wěn)定性均勻性都得到了改善?？偨Y(jié)場致發(fā)射顯示器（FED）具有廣闊的市場前景，因而作為其核心技術(shù)的場致發(fā)射材料也被深入而廣泛的研究。回顧近年的場致發(fā)射材料的研究，總結(jié)出該研究方向的趨勢如下：在材料的組成上，由傳統(tǒng)的過渡元素金屬向非金屬導體、半導體甚至絕緣體發(fā)展，并且廣泛運用體相摻雜、表面改性等手段改善場致發(fā)射性能；在材料的物理形態(tài)上，由傳統(tǒng)的微尖陣列、固體薄膜向各種納米結(jié)構(gòu)發(fā)展，納米顆粒、納米線、納米椎、納米柱等納米結(jié)構(gòu)都被用來改善材料的場致發(fā)射性能；在制作工藝上不斷向低成本、低能耗、高產(chǎn)量發(fā)展。但是要得到比較理想的場致發(fā)射材料，還有待于進一步的研究。參考文獻：1M. S. Wang,

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