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AlN纳米锥的图案化成长及场发射性能钻研

AlN纳米锥的图案化成长及场发射性能钻研

  以钼网作为掩膜,以镀Ni的硅片为基底,经过AlCl3和NH3的反响,在700℃时兑现AlN纳米锥的图案化成长。图案化成长使AlN纳米锥的屏蔽效应升高,场发射性质有显然改善。与未图案化的样品相比,图案化AlN纳米锥的开启电压和阈值电压显著升高,场发射直流电密度显著普及。这种图案化成长技能无望拓展到其它纳米冷负极资料体系,优化其场发射性能。1、小引
   冷负极场发射资料在军事及公民生涯中都有宽泛的潜在利用价格,近年来有关钻研重要集中于冷负极场发射资料在场发射呆滞预示器中的利用。冷负极场发射资料的停滞阅历了三个朝代。第一代为20世纪60年岁前期涌现的以Spindt锥型资料(钼和硅的尖锥)为代办的冷负极场发射资料,旋片式真空泵在锥状资料上强加电压后,其尖端会产生很强的磁场,轻易诱火力发电子发射。因为钼和硅存在大的名义功函,且Spindt型钼/硅锥的分解线路简单且造价低廉,使该署资料很难付诸理论利用。随后,因为存在低(乃至负)的电子亲和势、高的化学稳固性和热传播性,金刚石/类金刚石地膜资料变成第二代冷负极场发射资料。然而因为地膜的匀称度难以掌握,且电子发射位置错杂无章,使其周折于后续器件的组装,也逐步淡出人们的视线。近年来以碳纳米管为代办的一维纳米资料的场发射性能钻研导致了迷信家的宽泛趣味,一维纳米资料存在大的长径比和纳米级尖端,能够无效普及资料的场加强因子,改善场发射性能。在取舍适合的资料体系时,低的名义功函或电子亲和势、高稳固性及优异热传播性是不足道的参考指标。
   AlN存在低(乃至负)的电子亲和势、高的稳固性及优质的热导性能,其一维纳米资料可望变成一种有后劲的纳米冷负极资料。近年来各族形貌的AlN一维纳米资料,囊括纳米管、纳米线、纳米带、纳米锥等,已被相继分解。在该署纳米资料中,AlN纳米锥阵列存在锐利的尖端,大的长径比及较好的定向性,也体现出较好的场发射性能。为了进一步优化AlN纳米锥的场发射性能,有两种路径不值试行:一种是经过掺杂其它元素(比如:硅)以普及载流子深浅;另一种是经过升高纳米锥的密度以升高屏蔽效应。Nilsson等人经过试验和实践的划算得出:场发射头的密度增多时,屏蔽效应加强,场加强因子及发射直流电升高,当两个一维纳米发射头之间的间隔是其高低的2倍时,单位面积的场发射直流电最大。因而,AlN纳米锥的密度对其场发射性能有不足道的莫须有。正如真空技能网的其它篇章中简报,当AlN纳米锥的密度较大时,因为屏蔽效应,场加强因子及发射直流电会升高。
   图案化成长是一种很好的掌握纳米构造密度的步骤,重要有两种路径:一种是经过电子束刻蚀、紫外普照耀等技能取舍性地润饰基底的亲疏水性,构建图案化的基底;另一种步骤是经过构建图案化的催化剂进而莫须有纳米构造的图案化成长,因为AlN纳米锥的成长不需借助催化剂,且对基底资料没有务求,因而上述路径无奈诱导AlN纳米锥的图案化成长。白文经过引入钼网作为掩膜兑现了AlN纳米锥的图案化成长。与未图案化的出品相比,图案化的AlN纳米锥存在更好的场发射性质,无利于其在场发射呆滞预示器中的利用。2、试验全体
   AlN纳米锥的图案化成长是经过引入钼网作为掩膜以AlCl3和NH3在700℃下反响兑现的(如图1A所示)。将钼网紧紧黏附的硅片搁置于管式炉的核心,当沉积区热度升至700℃时,三氯化铝在氩气气旋的牵动下到反响海域,并与阿摩尼亚反响,AlN纳米锥在钼网的距离沉积,而被钼网遮盖的中央则没有AlN的沉积。反响延续4个时辰,在氩气气旋的掩护下结冰至室温,反响终了后,将钼网除去失去图案化的AlN纳米锥。白文中试行了两种相反尺寸的钼网作为掩膜。同声在相反条件下制备了未图案化的AlN纳米锥作为比拟。
   样品经过X射线衍射仪(XRD;PhilipsX&rsquo;pertProX-raydiffractometer)及扫描电镜(SEM;HitachiS-4800)继续表征。场发射性质的测量在1&times;10-4Pa的真空腔中继续。3、后果与探讨
   两种相反尺寸的图案化AlN纳米锥SEM照片如图1B-F所示。关于图案化样品I,沉积区的尺寸为185&mu;m,两相邻沉积区的间隔为35&mu;m,与所用钼网的尺寸相统一。在沉积区单元的AlN纳米锥呈准定向分(图1D)布,而被钼网遮盖的中央则没有AlN的沉积(图1E)。关于图案化样品II,沉积单元的尺寸为100&mu;m,而两相邻沉积区的间隔较大,为60&mu;m(图1F)。图案化样品比拟均一,无利于其在呆滞预示器上图案化像素的利用。未图案化的AlN纳米锥的SEM照片如图2所示,纳米锥呈准定向排列,且尺寸均一,与图案化样品类似,注明有无钼网关于AlN纳米锥的形貌没有莫须有。
图1.(A)图案化成长内中示用意;(B)图案化样品I的SEM照片;(C)图B中白色方框中放大的SEM照片;(D)图案化样品I沉积单元的SEM照片;(E)图案化样品I被钼网遮盖海域的SEM照片;(F)图案化样品II的SEM照片。
   与未图案化的AlN纳米锥相比,图案化AlN纳米锥存在更大的边缘海域。因为边缘海域的屏蔽效应较低,图案化AlN纳米锥无须会存在较好的场发射性质。图3给出了图案化样品及未图案化样品的场发射曲线。样品的开启电压(Eto,产生10&mu;A/cm2直流电所须要的磁场)和阈值电压(Ethr,产生1mA/cm2直流电所须要的磁场)如表1所示。后果表明,图案化AlN纳米锥样品的开启电压及阈值电压有显著升高;与图案化样品I相比,图案化样品II存在更小的开启电压和阈值磁场。图案化AlN纳米锥存在较大的边缘海域,且样品II存在绝对更大的边缘海域面积;因为该署边缘海域的AlN纳米锥的密度减小,使得屏蔽效应升高,从而招致了其场发射性能的加强。只管图案化AlN纳米锥的阈值电压高于碳纳米管,然而能够和氧化锌及硼纳米线相比较。后果表明,图案化成长是一种无效且反复性较好的普及AlN纳米锥场发射性质的步骤。
图3.(A)图案化样品I、II及未图案化AlN纳米锥阵列的直流电密度~磁场曲线(J-E曲线);(B)与J-E曲线绝对应的Fowler-Nordheim曲线,即ln(J/E2)-1/E曲线。
表1.图案化及未图案化样品的Eto,Ethr及&beta;值
   F-N曲线如图3B所示。依据F-N实践,F-N曲线的斜率等于-6830&phi;3/2/&beta;,其中&phi;为功函,&beta;为场加强因子。AlN的功函以3.7eV划算[6],未图案化AlN纳米锥的场加强因子为430。
   因为屏蔽效应的升高,两个图案化样品的场加强因子有了显然的普及(表一)。关于图案化样品I,其F-N曲线分为两段,在高场和低场的场加强因子别离为950和600,这可能是因为空间荷电效应导致的。从图3A可看出,在高场全体,图案化样品I的直流电至多是未图案化样品的5倍。高的直流电密度会经过水解残余的气体分子产生空间电荷,在磁场作用下,阳离子挪动到AlN发射头的尖端,使得发射头的电压增多,因而在高磁场时存在较大的场加强因子。而图案化样品II在低磁场时就存在大的直流电密度,荷电效应在整个磁场下都存在,因而其F-N曲线呈线性,场加强因子为1561。4、论断
   白文经过引入钼网作为掩膜停滞了一条容易的制备图案化AlN纳米锥的步骤。图案化AlN纳米锥存在均一的形貌及准定向的排列。因为增多了边缘海域,图案化成长无效升高了屏蔽效应,使图案化AlN纳米锥的开启和阈值电压有了显然的升高。后果表明图案化成长是一种无效普及AlN纳米锥场发射性质的步骤,也无望进一步利用于优化其它纳米冷负极资料的场发射性能。


 

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