微結(jié)構(gòu)中直接生長氧化銅納米線及其場致電子發(fā)射特性的研究.pdf

1、準一維冷陰極納米材料場發(fā)射在小型微波器件和場致發(fā)射平板顯示器等真空微電子器件中有應(yīng)用前景。因此,它成為目前納米材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點之一。氧化銅納米線具有制備生長工藝簡單和場致電子發(fā)射穩(wěn)定且均勻等優(yōu)點,因而受到人們的關(guān)注。
　　 本博士論文首先綜述了場致發(fā)射電子材料以及微結(jié)構(gòu)中生長準一維納米材料的研究進展,介紹了準一維金屬氧化物納米材料的兩種典型的生長機理,回顧了場致電子發(fā)射的基本理論和基本實驗方法。然后,本論文介紹學(xué)位研究過程

2、取得的主要成果。我們研究了在微結(jié)構(gòu)中通過直接加熱銅膜的方式生長氧化銅納米線的方法,研究了帶柵極微結(jié)構(gòu)的制作過程,特別是氧化銅納米線在上述微結(jié)構(gòu)中的生長條件。隨后,研究了在微結(jié)構(gòu)中直接生長的氧化銅納米線的場致電子發(fā)射特性和器件物理等。本論文研究的主要工作和成果如下:
　　 1、研究了銅薄膜厚度和生長溫度等對氧化銅納米線生長的影響規(guī)律,以及氧化銅納米線的場致電子發(fā)射特性和電導(dǎo)特性,為器件研究打下基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明,銅薄膜厚度至少要大

3、于300納米才能生長出納米線。另外,經(jīng)過熱氧化生長過程,原來的銅薄膜轉(zhuǎn)化為氧化銅薄膜,其厚度增加了約1倍。定域生長的氧化銅納米線陣列具有良好的場發(fā)射特性,電流密度為10μA/cm2時的典型開啟電場約為5 MV/m。單根納米線的場發(fā)射研究結(jié)果表明,在比較高的外加電場作用下,采用實驗獲得的電流和電場數(shù)據(jù)構(gòu)造的場致電子發(fā)射ln(I/V2)～1/V關(guān)系曲線呈現(xiàn)向上曲翹的特點,是典型的P型半導(dǎo)體的場致電子發(fā)射特征。同時,單根納米線的電導(dǎo)測試結(jié)果也

4、驗證了氧化銅納米線具有P型半導(dǎo)體性質(zhì)。典型電導(dǎo)率約為7.8x10-4(Ω·cm)-1。
　　 2、發(fā)展了一種在微結(jié)構(gòu)中精確定位自組裝生長氧化銅納米線冷陰極的技術(shù),研制出帶柵極真空微納電子源陣列。首先,提出了采用交替式制膜來有效解決薄膜與襯底脫落的思路,為微結(jié)構(gòu)制作的后續(xù)工藝提供了重要保障。其次,研究出有效刻蝕和清除銅膜上的鋁薄膜的工藝條件,實現(xiàn)氧化銅納米線的有效和均勻生長。再之,發(fā)展了采用銅膜上的鋁膜微孔限制氧化銅納米線生長的技

5、術(shù),實現(xiàn)在帶柵極微結(jié)構(gòu)中心精確定位生長氧化銅納米線冷陰極,有效解決了納米冷陰極與控制柵極的電絕緣問題,提高了微納電子源陣列制備成功率以及它們的場發(fā)射均勻性。場致電子發(fā)射特性測試結(jié)果表明,采用上述技術(shù)制備的微納電子源器件可以有效地控制電子發(fā)射,陽極收集到電子的效率隨著陽極電壓以及柵極電壓的增加而增大,陽極收集電子的效率可高達～0.85。
　　 3、探索了在新型微結(jié)構(gòu)中制備氧化銅納米線的方法及其生長機理。采用鍍膜、光刻以及熱氧化等方