場發(fā)射顯示器的陰極分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、場發(fā)射顯示器件是真空微納電子器件及納米材料應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。進(jìn)入九十年代以后，納米材料的發(fā)展為場發(fā)射顯示器的研究提供了更多性能優(yōu)異的可選擇材料。由于大面積平板顯示成為當(dāng)前市場的發(fā)展主流，則從制備工藝和成本考慮，絲網(wǎng)印刷技術(shù)為制備大面積場發(fā)射顯示器件提供一種高效、廉價(jià)的途徑。而為了實(shí)現(xiàn)低壓調(diào)制和提高亮度，設(shè)計(jì)和發(fā)展三極結(jié)構(gòu)的場發(fā)射顯示器件是一個(gè)必然的研究方向。 現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷型場發(fā)射顯示器件遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用的要求，對它的研究也處于初

2、級階段。如何提高絲網(wǎng)印刷后無序的納米材料陰極的發(fā)射性能是場發(fā)射顯示器件中要解決的首要問題；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三極結(jié)構(gòu)則是制備出器件的關(guān)鍵所在。因此，本論文的研究圍繞著場發(fā)射顯示器件制備中的兩個(gè)關(guān)鍵性問題展開：絲網(wǎng)印刷型陰極及其相應(yīng)的器件三極結(jié)構(gòu)。本論文的主要工作及成果可概括如下； 1．回顧了場致發(fā)射的基本原理Fowler-Nordheim（FN）公式，參考并總結(jié)了對FN公式的相關(guān)修正，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中獲得的絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極的發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)

3、據(jù)，發(fā)現(xiàn)FN公式用于解釋該發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。由此提出了絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極發(fā)射的物理模型，并分別從發(fā)射體溫度、絲網(wǎng)印刷型陰極表面狀況和材料的功函數(shù)三個(gè)方面對經(jīng)典的FN公式用于解釋絲網(wǎng)印刷型厚膜陰極發(fā)射機(jī)理加以補(bǔ)充說明。應(yīng)用數(shù)值模擬的方法論證了該物理模型中陰極表面的平均場增強(qiáng)因子隨著電壓的升高而下降的趨勢，亦即很多文獻(xiàn)報(bào)道過的FN曲線在高電場下“上翹”的結(jié)論。 2．通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備大面積場發(fā)射顯示用陰極已經(jīng)發(fā)展了近

4、十年時(shí)間，但如何提高該類陰極的發(fā)射性能是問題的關(guān)鍵。本文提出了將鋅粉添加到碳納米管漿料中，將在高溫下抑制碳納米管的氧化問題，并結(jié)合表面酸刻和超聲的工藝，對絲網(wǎng)印刷型碳納米管表面進(jìn)行改善和清潔處理，使得絲網(wǎng)印刷型碳納米管陰極的場發(fā)射性能得到明顯的改善。 3．考慮到四針狀氧化鋅在經(jīng)過大面積制備后發(fā)射尖端能自發(fā)有序排列的優(yōu)點(diǎn)，采用絲網(wǎng)印刷四針狀氧化鋅結(jié)構(gòu)的方法來制備氧化鋅冷陰極并進(jìn)行了場發(fā)射的測試。發(fā)現(xiàn)了絲網(wǎng)印刷工藝過程將會(huì)大量折斷脆

5、弱的四針狀針尖或針須，從而絲網(wǎng)印刷四針氧化鋅陰極的發(fā)射性能將大打折扣。引入了旋涂工藝制備表面均一的四針狀氧化鋅陰極，使得該陰極的開啟場強(qiáng)和閾值場強(qiáng)得到極大的降低，并通過將碳納米管混入四針狀氧化鋅漿料中作為改善電子傳輸介質(zhì)，有效的改善了陰極電子傳輸性能，制備得到性能優(yōu)異的混合式冷陰極，該陰極的開啟場強(qiáng)低至0．6V/μm，閾值場強(qiáng)為1．5V/μm。 4．在陰極的測試過程中考慮到器件放氣的因素，采用了氣體放電的原理解釋了打火、電流不穩(wěn)

6、定、真空擊穿及器件損壞等一系列現(xiàn)象。提出了一種將高溫烘烤和電流輔助放氣結(jié)合的綜合老練排氣方法，對陰極進(jìn)行有效的排氣和老練處理，極大的提高了陰極的最大發(fā)射電流，明顯減少了發(fā)射過程中打火現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證了器件工作的穩(wěn)定性。 5．三極結(jié)構(gòu)是場發(fā)射顯示器件制備過程中的難點(diǎn)，文章綜述了現(xiàn)有的幾種成功的三極結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)后，結(jié)合現(xiàn)有的制備工藝，提出了一種背陰極式場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)并給出數(shù)值計(jì)算模型的方法，計(jì)算得到良好的調(diào)制效果，并給出這種結(jié)構(gòu)的工