碳納米管陰極場發(fā)射壓力傳感器的研究.pdf

1、由于碳納米管具有優(yōu)良的機(jī)械和電學(xué)性能，已成為了世界各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。在碳納米管的電學(xué)性能中，一個最重要的性能就是具有極其優(yōu)異的場發(fā)射性能，這是由它穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，極小的曲率半徑，高的熱傳導(dǎo)系數(shù)所決定的。本文的研究內(nèi)容就是利用碳納米管作為陰極發(fā)射體來研制新型高性能真空微電子場發(fā)射壓力傳感器。 論文首先在理論上，對碳納米管尺寸、高度差和密度對碳納米管陣列尖端電場的影響進(jìn)行了有限元計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Fowler—NOrdhei

2、m(F—N)理論以及碳納米管陣列密度與其尖端電場的關(guān)系，計(jì)算得到了一定碳納米管尺寸對應(yīng)的最優(yōu)碳納米管陣列密度。結(jié)合所設(shè)計(jì)的場發(fā)射壓力傳感器，對碳納米管陰極薄膜陣列化前后的電場分布進(jìn)行了計(jì)算比較，計(jì)算表明，碳納米管陰極薄膜陣列化是一種減小電場屏蔽，改善電場分布均勻性的有效方法。 為了提高器件低壓范圍靈敏度，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提出了具有二種厚度的臺階狀陽極變形膜結(jié)構(gòu)。通過Arlsys有限元軟件分析與鼓氣法實(shí)驗(yàn)確定了陽極變形膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，

3、并且得到了外力與變形膜撓度的關(guān)系，從而初步確定了器件發(fā)射腔的尺寸。一系列的模擬和實(shí)驗(yàn)分析表明該臺階狀結(jié)構(gòu)不僅可以擴(kuò)大器件低壓范圍的靈敏度，同時可以滿足強(qiáng)度的要求。 設(shè)計(jì)了一種碳納米管一硅陰極結(jié)構(gòu)并采用微機(jī)械(MEMS)工藝制備。在硅基底上，采用熱化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，以Ni、Cr合金作催化劑，由C<,2>H<,2>高溫分解得到多壁碳納米管(MWCNTs)。通過選用合適的微納制備工藝，解決了關(guān)鍵的碳納米管陰極微納結(jié)構(gòu)組合和工

4、藝兼容性問題。對得到的碳納米管的測試表明：經(jīng)過優(yōu)化工藝得到的碳納米管陰極不僅具有良好的場發(fā)射特性，而且可以滿足機(jī)械結(jié)合力、熱穩(wěn)定性、發(fā)射穩(wěn)定性等器件要求。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高碳納米管陰極的場發(fā)射性能，對碳納米管薄膜表面進(jìn)行了等離子體處理和陣列化研究。 由于單壁碳納米管(SWCNTs)的尖端更小，可能有更好的場發(fā)射性能。所以本文也用弧光放電法制備了SWCNTs。在對產(chǎn)物進(jìn)行分析、提純的基礎(chǔ)上，采用旋涂法制備了SWCNTs陰極

5、并對其場發(fā)射性能進(jìn)行了測試。測試表明雖然SWCNTs薄膜的場發(fā)射性能要優(yōu)點(diǎn)于MwCNTs，但是由于在本實(shí)驗(yàn)條件下，SWCNTs與基底的結(jié)合力較差，導(dǎo)致其發(fā)射穩(wěn)定性較差，所以不能滿足器件的要求。此外，為了與傳統(tǒng)的場發(fā)射陰極——硅尖進(jìn)行比較，本文采用干法刻蝕制備了硅尖陰極，對其場發(fā)射性能也進(jìn)行了測試。 在成功制備了各個分立部件基礎(chǔ)上，根據(jù)器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用陽極鍵合工藝和高真空粘結(jié)劑進(jìn)行了器件封裝，完成了碳納米管陰極場發(fā)射壓力傳感器