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        電泳法制備平柵極碳納米管場發(fā)射陰極及場發(fā)射特性研究*

        2012-12-28 09:18:56趙文中祁康成文永亮
        電子器件 2012年1期
        關(guān)鍵詞:柵極電泳碳納米管

        趙文中,祁康成,文永亮,李 鵬

        (電子科技大學光電信息學院,成都610054)

        碳納米管(CNTs)具有極小的曲率半徑、極高的長徑比、良好的電導率、較低的逸出功、卓越的機械強度和穩(wěn)定的化學性,是理想的場發(fā)射材料,可用于平板顯示器、傳感器、光源等器件[1-3]。目前,制備CNTs陰極的方法主要有化學氣相淀積法(CVD)[4]、絲網(wǎng)印刷法[5-6]、電泳法[7]和電泳電鍍法[8]等。

        電泳沉積法是具有低溫、低成本、成膜快等顯著優(yōu)點,適宜大規(guī)模生產(chǎn),而且基片的形狀不受限制、薄膜的厚度可以很好地控制,所以電泳沉淀CNTs陰極薄膜具有廣闊的研究和應用空間。

        根據(jù)陰極的位置不同,三極管結(jié)構(gòu)通常分為平柵極[9],背柵極[10]和正柵極[11]三種結(jié)構(gòu)。相對于背柵極和正柵極結(jié)構(gòu),平柵極結(jié)構(gòu)的柵極制備簡單,成本低,易于大面積制造。實驗采用柵極與陰極處于同一水平面,且柵極和陰極結(jié)構(gòu)對稱的平柵極結(jié)構(gòu),利用電泳法在ITO玻璃基板上實現(xiàn)圖形化碳納米管陰極陣列的制備。

        1 實驗

        首先采用光刻技術(shù)刻蝕ITO薄膜叉指線電極,叉指電極的寬度和間距均為20 μm,叉指電極總面積1 mm×1 mm。碳納米管采用外徑為10 nm~20 nm,長度約20 μm,純度>95 wt%高純度多壁碳納米管(MWCNTs)材料。電泳液由異丙醇、硝酸鋁和CNTs按照一定的比例配制,并在60℃溫度下超聲5 h以提高MWCNTs的分散性,然后靜止放置24 h以分離極少部分團聚的 MWCNTs,最后得到了MWCNTs分散均勻的溶液。

        電泳裝置采用直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的電壓,不銹鋼片做陽極,待鍍薄膜的圖形化ITO玻璃基片為陰極,陰極與陽極板大小都是25 mm×15 mm,電極間距離為10 mm。根據(jù)我們前期的實驗結(jié)果[7],電泳采用的電泳電壓為100 V,電泳時間60 s。

        電泳制備的柵控CNTs陰極的場發(fā)射特性采用三極管結(jié)構(gòu)進行測量,不銹鋼片作為陽極,陰極和陽極間距為300 μm,測試時真空度為2 Pa~3×10-4Pa。

        2 結(jié)果與分析

        (1)陰極表面形貌與成分分析

        制備的平柵極結(jié)構(gòu)CNTs陰極表面形貌如圖1所示。由圖1(a)可見,叉指電極的一組電極被CNTs薄膜覆蓋,呈黑色;另一組電極上表面沒有CNTs薄膜,這組電極即為共面柵極。兩組電極結(jié)構(gòu)清晰,陰極和柵極之間沒有短路現(xiàn)象。由此說明,采用電泳沉積技術(shù)容易實現(xiàn)在特定電極上沉積CNTs薄膜的目的,并且能夠達到較高的分辨能力,這些特點明顯優(yōu)于絲網(wǎng)印刷技術(shù)。圖1(b)為CNTs薄膜的SEM照片,可以看到CNTs分布比較均勻、致密,滿足場發(fā)射陰極的應用要求。

        圖1 共面柵控CNTs陰極的形貌

        CNT陰極薄膜成分如圖2所示,在CNTs薄膜中存在C、O、Al三種元素,C 元素來自 CNTs,Al來自于溶液中的硝酸鋁,O來自于碳納米管薄膜在空氣中吸附的氧氣分子。CNTs陰極薄膜中Al的成分含量較高,表明CNTs陰極薄膜中Al是由電泳沉淀。根據(jù)電泳沉積的原理,CNTs顆粒表面吸附溶液中Al+3成為帶正電荷的帶電膠粒,在電泳過程中,帶正電的膠粒向負極運動,最終沉積在負電極表面。因此,在電泳沉積的CNTs薄膜中,Al元素的含量將明顯地高于溶液中的含量。

        圖2 平柵極結(jié)構(gòu)CNTs陰極薄膜EDS能譜

        (2)陰極場發(fā)射特性

        圖3是樣品場發(fā)射特性測試結(jié)果。由圖3(a)可以看到,陽極電壓一定時,隨著柵極電壓的增大,發(fā)射電流密度呈近似指數(shù)的變化趨勢增大。因此,共面柵極對場發(fā)射陰極的發(fā)射電流能夠起到明顯的調(diào)制作用。同時,柵極電壓一定,陽極電壓逐漸增大時,場致發(fā)射電流密度相應增大,柵極的調(diào)制作用也相應地增強。當陽極電壓Va=450 V、柵極電壓Vg=230 V時,發(fā)射電流達到1 mA/cm2。而當柵極電壓Vg=350 V時,發(fā)射電流達到7.6 mA/cm2。圖3(b)示出了根據(jù)樣品的測試數(shù)據(jù)計算得到的F-N(福勒-諾德海姆公式)曲線[12]。根據(jù)F-N理論,當陰極的發(fā)射面積不變時,ln(I/V2)~1/V的關(guān)系應為一條直線,圖3(b)的F-N曲線偏離直線,分析其原因如下:對于實驗得到的場發(fā)射陰極結(jié)構(gòu),陰極的邊緣電場最強,最容易產(chǎn)生場致電子發(fā)射,隨著柵極電壓的升高,陰極邊緣電場強度增加的同時,靠近陰極邊緣的區(qū)域的電場強度也將逐漸增強。因此,陰極邊緣發(fā)射電流密度增大的同時,靠近邊緣的區(qū)域也會逐漸產(chǎn)生電子發(fā)射,從而導致F-N曲線偏離直線,呈逐漸增大的趨勢。

        圖3 不同陽極電壓下平柵結(jié)構(gòu)柵控CNTs陰極的場發(fā)射特性

        3 結(jié)論

        通過電泳法,在ITO叉指電極上選擇性地沉積了一層分布均勻致密的CNTs場發(fā)射陰極,實現(xiàn)了平柵結(jié)構(gòu)的柵控CNTs場發(fā)射陰極。測試結(jié)果表明,平柵結(jié)構(gòu)能夠起到控制CNTs場發(fā)射陰極發(fā)射電流密度的作用。采用設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)下,當陽極電壓為450 V;柵極電壓230 V時,發(fā)射電流密度達到7.6 mA/cm2共面柵極結(jié)構(gòu)簡單,容易制備,可用于場發(fā)射平面光源以及場發(fā)射顯示器件中。

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