MIM冷阴极制备及其特性研究

摘要

金属-绝缘体-金属（MIM）型阴极是内场致发射阴极的一种，具有体积小、不用预热、低噪声、工作电压低、对真空度要求不高等优点。这种阴极结构整体厚度一般不超过1μm，是纳米级薄膜工艺，在薄膜电子器件和低功率真空器件上具有很大的应用前景和研究价值。
　　本文从薄膜的表征入手，采用不同的工艺来制备MIM阴极，测试阴极的发射性能，并分析影响发射性能的因素，本文主要研究内容如下：
　　(1)以Al-Al2O3-Au阴极结构为研究对象，采用反应溅射和阳极氧化两种不同的方法制备绝缘层Al2O3，并不断优化其工艺参数。经过多次试验，在直流溅射以15W功率沉积20s的Au薄膜用作顶电极具有最好的电子发射能力；在1Pa压强下，以Ar:O2为100sccm:25sccm、经功率为100W反应溅射1小时制备的Al2O3用作绝缘层耐压强度为18V左右；在5wt％的葵二酸铵的乙二醇溶液中经150V阳极氧化12小时制备的绝缘层具有27V左右的耐压强度，用作MIM绝缘层使阴极面积为9mm2的单阵列发射电流最大达到116.5μA，电流密度为1.29mA/cm2。
　　(2)采用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）法转移石墨烯薄膜来替代顶电极Au，通过测试转移一至四层石墨烯的样品，发现转移四层石墨烯薄膜的样品发射性能优于转移一至三层的样品，但仍不如Au用作顶电极的发射性能好，认为可能与石墨烯的生长质量、转移质量、衬底的粗糙度等有关。
　　(3)对大面积MIM阴极阵列展开应用研究，通过荧光屏对制备的2×2阵列、3×3阵列和14×11阵列阴极进行测试，从荧光屏图像来看，在实验室工艺条件下制备的多阵列阴极发射不够均匀。随着阴极制备的面积逐步增大，发射电流密度有所减小。其中，总阴极面积为1.54cm2的14×11阵列最大电流密度为180.7μA/cm2。
　　通过优化制备工艺和设备可以改善阴极发射性能，使其在低功率、低噪声电子源中得到实际应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 薄膜场致发射阴极

1.2 场致发射基本理论

1.3 MIM型阴极的工作原理

1.4 本课题的研究目的和内容

第二章 MIM阴极的制备、表征及测试系统

2.1 MIM阴极制备系统

2.2 薄膜表征系统

2.3 MIM阴极测试系统

2.4本章小结

第三章 MIM冷阴极的工艺探究及性能分析

3.1 单阵列MIM阴极的制备

3.2 反应溅射Al2O3厚度对MIM阴极发射性能的影响

3.3 顶电极厚度对MIM阴极发射性能的影响

3.4 阳极氧化制备Al2O3绝缘层对MIM阴极发射性能的影响

3.5 MIM阴极负阻效应分析

3.6 阳极电压和真空度对阳极电流的影响

3.7 本章小结

第四章 石墨烯用作顶电极的发射性能研究

4.1 石墨烯的结构和性质

4.2 单层石墨烯的化学气相沉积生长

4.3 石墨烯薄膜的转移及表征

4.4 石墨烯用作MIM顶电极的性能测试及分析

4.5 本章小结

第五章 MIM阴极荧光屏测试及其应用研究

5.1 FED简介

5.2 荧光屏的制备

5.3 单阵列MIM阴极的荧光屏测试

5.4 2×2阵列MIM阴极的制备及测试

5.5 3×3阵列MIM阴极的制备及测试

5.6 大面积多阵列MIM阴极的制备及测试

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果