氮化物纳米薄膜膜层调制场发射增强:第一性原理计算

摘要

场发射阴极由于具有独特的电子特性而广受关注，其在超薄平板显示器以及其他真空微电子器件方 面有着巨大的应用潜力。我们通过在Si衬底上构造40-50nm的GaN纳米结构薄膜实现了场发射性能的显著提高。对于半导体材料，在高电场下表面能带将会发生显著的弯曲，在几纳米的超小尺度下，电子输运界面与电子发射表面的相互作用 将不可忽略。因此通过构建纳米尺度下的精确原子模型，进行基于密度泛函理论第一性原理的场发射计算是十分必要的。在本工作中，我们构建了在金属Al衬底上外延六方纤锌矿GaN或AIN纳米薄膜的原子模型。在模型中首次考虑了衬底及衬底/薄膜界面对薄膜表面场发射性能的影响。研究结果显示通过仅几个纳米薄膜厚度的结构调制，场发射电流可得到2-3个数量级的提高。综合考虑表面与界面效应，发现厚度调制的显著效应来源于表面功函数的变化，几纳米的调制可以使功函数下降0.6ev。另一方面，当总膜厚大于10nm时，表面功函数不再随厚度变化，这也可推知纳米薄膜可能存在最佳场发射的薄膜厚度。进一步地，通过其晶格参数、电子结构分析，发现半导体纳米薄膜场发射性能的显著厚度调制效应来源于表面、界面的电荷转移作用以及金属衬底界面态的形成。