大面积氧化钨冷阴极纳米材料的制备与性能研究

摘要

场发射电子源在平板显示器、微波放大器、X射线管以及真空微电子设备等方面有着广泛的应用。近年来，人们研究发现金属氧化物纳米线有望作为冷阴极材料而应用在场发射领域。其中，过渡族的金属氧化物如氧化钨和氧化钼的场发射特性尤其引人注目，它们在开启电场、阈值电场、电流稳定性以及分布均匀性等方面都表现出了良好的性能。本博士论文先综述了场致电子发射的基本理论和研究方法，然后重点介绍大面积热蒸发系统的构建、多种氧化钨纳米材料的制备、氧化钨冷阴极纳米材料的场致电子发射特性以及场发射后处理技术等方面的研究结果。本论文的主要研究成果可概述如下:
　　 1.开发了一种新型的大面积热蒸发系统，利用该系统可以制备出多类金属氧化物的纳米材料，包括氧化钨冷阴极纳米材料。
　　 2.通过热蒸发沉积技术制备了氧化钨的仅包含纳米线的薄膜、包含纳米线和三维纳米线网络的混合薄膜以及仅包含三维纳米线网络的薄膜。详细地研究这些薄膜的生长条件，探索如何控制薄膜中三维纳米线网络所占的比例。研究表明，为控制三维纳米线网络的生成，在热蒸发沉积过程中必须给衬底提供足够的温度，三维纳米线网络的生成概率可以通过控制衬底温度来进行调节。对这些薄膜的场发射特性进行了研究，结果表明随着混合程度的改变，薄膜的场发射特性也按一定规律发生变化。
　　 3.通过多步热蒸发处理技术在硅片衬底上生长了大面积的氧化钨铅笔状纳米结构阵列。调节生长温度可以改变铅笔状纳米结构的纳米尖端之间的距离。该类阵列具备非常好的场发射性能，开启电场为1.26 MV/m，阈值电场为3.39MV/m。氧化钨铅笔状纳米结构阵列具有高的场发射增强因子和低的场发射的屏蔽效应，因此它具备较低的开启电场和阈值电场。这种纳米结构非常适合于应用在冷阴极电子源中。
　　 4.提出了一个用于评价场致电子发射均匀性的新指标:有效发射面积百分比。该指标非常适合于评价那些分辨率偏低，场发射址数目难于准确统计的场发射像照片。利用MATLAB软件实现了对场发射像照片中的电子亮斑进行除噪、分割和统计，进而快速地计算出发射址数目与有效发射面积百分比。
　　 5.验证了一种适用于大面积W18049纳米线薄膜的电流处理技术，该技术可以使场发射址分布的均匀性得到明显的改善。经过处理，可以使那些比较高的场发射体在大电流作用下熔化，使得更多数量的纳米线参与场致电子发射。在扫描电镜下使用探针阳极原位测试技术研究了氧化钨纳米线的自熔化过程。当场发射电流通过那些参与了场致电子发射的纳米线时，所产生焦耳热可以导致纳米线发生自熔化现象。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 导论

1.1 场发射平板显示器发展概况

1.2 场发射冷阴极材料发展概况

1.3 氧化钨纳米材料的物性及研究现状

1.4 本论文研究的主要目的

1.5 本论文的主要工作和章节内容安排

参考文献

第2章 场致电子发射的相关理论和实验方法

2.1 场致电子发射的基本理论

2.2 场致电子发射的实验方法

2.3 大面积冷阴极的场发射特性分析方法

参考文献

第3章 大面积热蒸发设备与测试仪器

3.1 大面积热蒸发设备的研制

3.2 热蒸发原材料的处理

3.3 材料的分析测试手段

3.4 小结

参考文献

第4章 氧化钨纳米材料的生长条件与制备方法研究

4.1 氧化钨纳米材料的生长条件

4.2 低温度下可控生长氧化钨纳米线

4.3 制备比例可调的氧化钨三维纳米线网络

4.4 多步法制备氧化钨铅笔状纳米结构

4.5 大面积氧化钨纳米材料的均匀性

4.6 小结

参考文献

第5章 大面积氧化钨冷阴极材料的场发射性能研究

5.1 氧化钨纳米材料的场发射特性

5.2 大面积场发射均匀性的评价方法

5.3 电流处理改善场发射均匀性

5.4 大面积氧化钨冷阴极在原型器件上的应用

5.5 小结

参考文献

第6章 总结与展望

6.1 本论文的主要研究内容和结论

6.2 研究展望

附录

致谢