微结构中直接生长氧化铜纳米线及其场致电子发射特性的研究

摘要

准一维冷阴极纳米材料场发射在小型微波器件和场致发射平板显示器等真空微电子器件中有应用前景。因此,它成为目前纳米材料应用领域的研究热点之一。氧化铜纳米线具有制备生长工艺简单和场致电子发射稳定且均匀等优点,因而受到人们的关注。
　　 本博士论文首先综述了场致发射电子材料以及微结构中生长准一维纳米材料的研究进展,介绍了准一维金属氧化物纳米材料的两种典型的生长机理,回顾了场致电子发射的基本理论和基本实验方法。然后,本论文介绍学位研究过程取得的主要成果。我们研究了在微结构中通过直接加热铜膜的方式生长氧化铜纳米线的方法,研究了带栅极微结构的制作过程,特别是氧化铜纳米线在上述微结构中的生长条件。随后,研究了在微结构中直接生长的氧化铜纳米线的场致电子发射特性和器件物理等。本论文研究的主要工作和成果如下:
　　 1、研究了铜薄膜厚度和生长温度等对氧化铜纳米线生长的影响规律,以及氧化铜纳米线的场致电子发射特性和电导特性,为器件研究打下基础。研究结果表明,铜薄膜厚度至少要大于300纳米才能生长出纳米线。另外,经过热氧化生长过程,原来的铜薄膜转化为氧化铜薄膜,其厚度增加了约1倍。定域生长的氧化铜纳米线阵列具有良好的场发射特性,电流密度为10μA/cm2时的典型开启电场约为5 MV/m。单根纳米线的场发射研究结果表明,在比较高的外加电场作用下,采用实验获得的电流和电场数据构造的场致电子发射ln(I/V2)～1/V关系曲线呈现向上曲翘的特点,是典型的P型半导体的场致电子发射特征。同时,单根纳米线的电导测试结果也验证了氧化铜纳米线具有P型半导体性质。典型电导率约为7.8x10-4(Ω·cm)-1。
　　 2、发展了一种在微结构中精确定位自组装生长氧化铜纳米线冷阴极的技术,研制出带栅极真空微纳电子源阵列。首先,提出了采用交替式制膜来有效解决薄膜与衬底脱落的思路,为微结构制作的后续工艺提供了重要保障。其次,研究出有效刻蚀和清除铜膜上的铝薄膜的工艺条件,实现氧化铜纳米线的有效和均匀生长。再之,发展了采用铜膜上的铝膜微孔限制氧化铜纳米线生长的技术,实现在带栅极微结构中心精确定位生长氧化铜纳米线冷阴极,有效解决了纳米冷阴极与控制栅极的电绝缘问题,提高了微纳电子源阵列制备成功率以及它们的场发射均匀性。场致电子发射特性测试结果表明,采用上述技术制备的微纳电子源器件可以有效地控制电子发射,阳极收集到电子的效率随着阳极电压以及栅极电压的增加而增大,阳极收集电子的效率可高达～0.85。
　　 3、探索了在新型微结构中制备氧化铜纳米线的方法及其生长机理。采用镀膜、光刻以及热氧化等方法,成功地在玻璃衬底上制作的容器状氧化铜微结构阵列中生长出氧化铜纳米线。电场模拟结果表明,该新型微结构对发射的电子具有自聚焦作用。我们还结合铜膜厚度对生长氧化铜纳米线影响以及氧化铜薄膜微结构中生长氧化铜纳米线的结果,讨论了氧化铜纳米线的应力生长机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章 导论

1.1 研究背景

1.2 本博士论文研究的主要目的

1.3 博士论文的主要工作及各章节内容安排简介

参考文献

第二章 基本理论与实验方法

2.1 准一维纳米材料的生长机理

2.2 场致电子发射的基本理论

2.3 场致电子发射特性的基本实验方法

2.4 场致电子发射特性综合测试仪

2.5 样品的场致电子发射的均匀性评价

参考文献

第三章 氧化铜纳米线的制备优化及物理特性的研究

3.1 引言

3.2 氧化铜纳米线的制备优化

3.3 单根氧化铜纳米线的场致电子发射特性

3.4 单根氧化铜纳米线的电导特性

3.5 本章小结

参考文献

第四章 带栅极控制的微结构中直接生长氧化铜纳米线的研究

4.1 引言

4.2 实验方案

4.3 微结构的制作条件研究

4.4 不同形貌的微结构中生长氧化铜纳米线的结果

4.5 栅极控制的微结构阵列中直接生长氧化铜纳米线

4.6 带栅极控制的微结构阵列中直接生长氧化铜纳米线的场发射特性及其器件物理研究

4.7 本章小结

参考文献

第五章 氧化铜薄膜微结构阵列中直接生长氧化铜纳米线

5.1 引言

5.2 制作流程

5.3 微结构中生长氧化铜纳米线的场致电子发射特性及其发射电子会聚效应的计算机模拟

5.4 氧化铜纳米线生长机理的探讨

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

附录 Ⅰ攻读博士学位期间形成的论文情况

附录 Ⅱ攻读博士学位期间参加学术会议情况

致谢