（凝聚态物理专业论文）fed发光薄膜的制备及其性能研究.pdf

摘要 场发射显示器( f e d ) 具有高分辨率、高全色、全狄度、高亮度、和高对比度，响 应速度快，有很强的非线性i v 特性，适合多角度以及极端条件下应用，功耗低，节 省能源，冷阴极多微尖冗余发射，更加环保等优势，是新发展的一种很有前途的平板显 示器。目前，f e d 的发展也同样面临着一些挑战，例如：新显示材料和新的制各方法、 场发射阵列的新材料和新结构、f e d 的隔离柱材料及封装技术。显示屏作为f e d 的重要 组成部分，对显示材料和制备工艺提出了更高的要求。f e d 对于荧光材料的要求与传统 的c r t 荧光材料不同，需要具有放气量小、导电性好、对阴极无害、能够在低压高密度 激发条件下工作等特性，在制屏工艺上，传统薄膜屏由于表面粗糙，致密及均匀性差， 容易造成光的反射且稳定性不好等缺点不能满足f e d 的要求，而薄膜屏因具有荧光层表 面平整、与基底结合良好、热稳定性高等优势，成为研究的热点。 本文首先以宽带隙半导体材料作为场发射阴极材料、以荧光薄膜作为阳极材料构建 了f e d 工作模型。研究了半导体材料场发射特性、极板间距，真空度，电子的渡越时间、 f e d 荧光薄膜的发光性能，探讨了一些提高f e d 性能的有效途径。为下一步的实验研究 提供理论依据。 本文还描述了薄膜生长的一般过程，采用统计物理学建立起来的原子成核和生长模 型，描述薄膜生长的基本过程。并利用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法模拟薄膜生长。从 模拟的结果可以看出，覆盖度，基底温度与成团原子数之间有密切关系，影响着薄膜生 长。 在对薄膜屏工作原理、薄膜生长过程的研究基础上，用电子束蒸发方制备了y 。0 ，：e u 荧光薄膜、z n o ：z n 荧光薄膜、y a g g ：t b ，g d 荧光薄膜、z n s ：z n ，p b 荧光薄膜。对各发光薄 膜都经过不同条件下退火处理，对制备的荧光薄膜的组成、结构、表面形貌、发光性能 进行系统分析，发现随着退火温度的升高，提高了薄膜的结品程度弥补了薄膜晶体表 面的表面缺陷改善了薄膜的发光性能。因此，退火处理是提高荧光薄膜发光性能的有 效方法之一。下一步，将在此基础上结合场发射阴极对荧光薄膜进行进一步的研究。 关键词：场发射显示器，蒙特卡罗模拟，y ：0 3 ：e u 荧光薄膜，z n o ：z n 荧光薄膜， y a g g ：t b ，g d 荧光薄膜，z n s ：z n ，p b 荧光薄膜 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，d i s p l a y s ，a st h em e d i u m o f p e o p l ea n dc o m p u t e re x c h a n g e ，p l a y a ni m p o r t a n t r o l e f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gd i s p l a y sa sf u l lc o l o rf p d o w i n gt oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sw i d ev i e wa n g l e ，w i d et e m p e r a t u r er a n g ef o rd r i v i n g ，h i g h p i c t u r eq u a l i t y ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr e s p o n s es p e e d ，a n dw i t h o u tm a g n e t i cf i e l da n d x r a yr a d i a t i o n al o to f o b s t a c l e st ot h es u c c e s so ff e da r el a c ko fs u i t a b l ep h o s p h o r s n e w e l e c t r o ns o u r c e sf o rt h ef i e l de m i s s i o na n de n c a p s u l a t i o no ff e dd e v i c e s c r e e n sr e q u i r en e w l u m i n e s c e n tm a t e r i a l sa n df a b r i c a t et e c h n o l o g ya st h eo n eo f i m p o r t a n ts e g m e n t si nf e d i t i s g e n e r a l l ya c c e p t e dt h a tt h i nf i l m sp h o s p h o r sh a v es o m ea d v a n t a g e so v e rb u l k t y p ep o w d e r p h o s p h o r s s u c ha sb e t t e rt h e r m a ls t a b i l i t y , r e d u c e do u t g a s s i n g ，b e t t e ra d h e s i o n , a n di m p r o v e d u n i f o r m i t yo v e rt h es u b s t r a t es u r f a c e s ot h e r e s e a r c ho ft h i nf i l m sp h o s p h o r sb e c o m e sa h o t s p o ti nt h er e s e a r c h o ff e d s c r e e n o n eo ff e d p e r f o r m a n c em o d e li nw h i c h b r o a d b a n ds e m i c o n d u c t o ra c ta sc a t h o d ea n d t h i nf i l m sp h o s p h o r sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，f i e l de m i s s i o nf r o m s e m i c o n d u c t o r , d i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e sa n dv a c u u md e g r e e ，a t o me x c u r s i o nt i m ea n d l u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r so ft h i nf i l m sp h o s p h o r sa f ea n a l y z e d a n ds o m em e t h o d so ff e d p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta l ed i s c u s s e ds u b s e q u e n t l y ，w h i c ha f f o r dt h ea c a d e m i cb a s i si n s u b s e q u e n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ， a tt h eo p e n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h eg r o w t hm e c h a n i s mo ft h i nf i l m si sd i s c u s s e d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fm o l e c u l a rd y n a m i c sa n ds t a t i s t i c sp h y s i c so ft h i nf i l m sg r o w t h ， ap r o g r a mf o rt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o no ft h ec o n g l o b a t i o na n dg r o w t ho ft h i nf i l m so n s u b s t r a t ei sp r e s e n t e d i ti sf o u n dt h a tt h eo v e r l a y d e g r e e ，s u b s t r a t et e m p e r a t u r e a n dn u m b e ro f a t o m i n - g r o u p h a v e c o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o n , w h i c h a f f e c tt h et h i nf i l m sg r o w t h s u b s e q u e n t y ，y 2 0 3 ：e ut h i nf i l m s ，z n o ：z nt h i nf i l m s ，y a g g ：t b ，g dt h i n f i l m sa n d z n s ：z n ，p bt h i nf i l m sh a v eb e e ng r o w no ni t os u b s t r a t e sb ye l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o n m e t h o dw i t hs i n t e r e de a c ht a r g e t ，a n da r ea n n e a l e di n4 0 0 ( 3a n d6 0 0 cr e s p e c t i v e l y t h e c o n s t r u c t i o n ，i n g r e d i e n t ，s u r f a c em o r p h o l o g ya n dl u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e so f t h et h i nf i l m s a r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tc r y s t a l l i z a t i o ni si m p r o v e d ，a n dt h ed i s f i g u r e m e n to nc r y s t a l s u r f a c ei sr e f o r m e d t h el u m i n e s c e n tp r o p e r t i e so ft h i nf i l m sa r ee n h a n c e dw i t ht h ea n n e a l i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s e n e x ts t e p ，w ew i l li n t e g r a t et h ec a t h o d eo f d i a m o n dt h i nf i l m st os t u d y t h ep h o s p h o rt h i nf i l m sd e e p l y k e yw o r d s ：f e d ，m o n t e c a r l os i m u l a t i o n ，y z o s ：e ut h i nf i l m s ，z n o ：z nt h i nf i l m s y a g g ：t b ，g dt h i nf i l m s ，z n s ：z n ，p bt h i nf i l m s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 叁盗堡兰至瞳 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：。裂盛凇 签字日期：五卯垆年占月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨堂睦 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰至瞳 可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：触控导师签名：毅 签字日期：a 内午年月a 6 日签字日期：。v 年口石月) 日 前言 日u 舌 进入2 l 世纪，人类社会步入信息化社会，而人类信息的获得绝大部分来自于视觉， 因此，显示器件作为人与机器之问的媒介物，将各种信息通过视觉传递给人们，担负着 人与信息问的桥梁作用。在当今信息日益发达的现代社会中，其重要性同益凸显。计算 机技术与显示技术结合是显示技术发展过程中的鲜明标志。作为人机界面的图形显示 器，比电视应用有更高的要求，微型计算机的普及也使图形、文字显示器等的性能提高， 品种、数量增加。同时，平板显示技术也成为计算机显示更迫切的需要。电子显示技术 在其他非广播电视应用也是不容忽视的一个方面，检测、医学、军事、工业监视、电子 印刷等，他们涉及面广、要求独特，因此在显示发展历史中，也促成了更多的器件被研 制出来。随着电子技术和材料科学的迅猛发展，阴极射线显示( c r t ) 由于其体积庞大、 高工作电压、高功耗、安全性等问题，已经很难适应信息处理装置的发展要求。因此， 新型显示器件也需要向小型化、低电压驱动、低功耗、轻量化和平板化的方向发展。 对于平板显示器( f p d ) 的研究与开发并不是刚刚开始，它已经经历了一个比较长 的过程。进入上世纪八十年代，f p d 已经成为电子技术中发展最快的学科之一，液晶显 示器( l c d ) 、电致发光显示器( e l d ) 为代表的f p d 发展迅速，不断冲击着c r t 的市场。 九十年代以来，等离子体显示器( p d p ) 、场发射显示器( f e d ) 、有机发光二极管( o l e d ) 等显示器件也获得进步发展。1 9 9 9 年全球平板显示器( f p d ) 的销售额已经达到1 8 5 亿美元，据估计到2 0 1 0 年这个市场将达到7 0 0 亿美元，同时薄膜晶体管液晶显示器 ( t f t l c d ) 的销售将于2 0 0 7 年超过阴极射线显示器( c r t ) 。目前，l c d 显示器占据了 f p d 显示的7 5 ，但是，包括真空荧光显示器( v f d ) ，e l d ，发光二极管( l e d ) ，o l e d ， 等类型的显示器也在寻找自己的发展空间m 。 目前，比较常见的f p d 品种有l c d 、e l i ) 、p d p 、l e d 、v f d 、o l e d 和f e d 等。其中， l c i ) 是利用液晶盒进行光调制的一种被动型显示器件，具有低功耗、低驱动电压、与大 规模集成的驱动电路相适应的优点，现已成为除c r t 外占据最大市场份额的电子显示器 件，但是l c i ) 具有亮度较低、视角窄、响应速度慢且受周围温度的影响、低温下不能正 常工作等缺点。 e l d 是对荧光材料施加电压使之发光的有源显示器件，具有发光效率高、对比度好、 视角宽、寿命长等优点。但是它的驱动电压高、制作成本昂贵，而且难以实现大面积、 全彩色显示。 p d p 是一种利用气体放电而发光的平板显示器件，具有薄型结构、无闪烁、对比度 大、响应快等特点，适合大画面全彩色显示。目前，全彩色p d p 还存在发光效率不高、 功耗大和生产成本高等弱点，亟待克服。 o l e d 是对有机电致发光层施加定的电压使之发光的显示器件，具有低功耗、高效 率和重量轻等优点，可实现全彩色，而且生产成本不高。但是，由于有机材料的热衰变、 光化学衰变和界面的不稳定性，o l e d 的使用寿命比较短。 削晶 第一节场发射显示器( f e d ) 的结构及工作原理 场发射显示器( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，f e d ) 是利用冷阴极阵列发射与荧光材 料，将电子能量有效地转化为可见光的显示器件。目前，场发射显示器的结构有很多 种，其中比较常见的有三极管型的场发射显示器、二极管型的场发射显示器、四极管型 的场发射显示器等。三极管型的场发射显示器结构如图卜1 所示。阴极基底外侧为驱动 图1 - 1 三极管型的f e d 结构 电极，连接驱动电路内侧为发射微尖锥。阳极的玻璃基底内侧涂上红、绿、蓝色荧光 粉。在阳极与阴极之间有一个孔状的金属栅极。器件外围进行真空封装，阴极与阳极之 间利用隔柱分隔，以承受大气压力。两电极与中间的空隙均在1 m m 左右。当对f e d 器件 的栅极与阴极之间加上几十伏的正电压时，在阴极尖端就会产生很强的电场，当电场强 度大于5 1 0 7 v c m 时，电子由于隧道效应从金属内部穿出而进入真空中，并受阳极正电 压加速( 阳极电压比栅极电压高) ，因为两块玻璃板之间的距离很小( 2 0 1 0 0nm ) ，被 加速的电子以近乎聚焦的状态下打到了阳极的荧光粉层上，这些电子为初级电子，具有 较高的能量，会在发光层中产生大量的电子空穴对。这些电子空穴对在发光层中扩散，有 的复合后激发发光中心实现发光，光从背面被观察者接受。也有的电子空穴对被猝灭。 另有一部分电子空穴对扩散到表面而无辐射复合。每一个像素都是由多个发射微尖锥所 对应的发光层部分构成的，目前，利用定向刻蚀技术能使尖端阴极面密度达l o l 一 1 0 5 m m 2 ，每个单元元件直径1 5 ，j i n 左右，这样，虽然每个微尖的发射电流很小，但仍可 得到较大的面电流密度和发光亮度。器件通过驱动电极对适当的像素寻址，即可实现图 像的显示“3 1 。 近年来，随着薄膜制备技术的快速发展，一些具有较小电子亲和势，甚至是负的电 2 刖再 子亲和势的材料，如金剐石薄膜、类金刚石薄膜、碳化硅( s i c ) 薄膜、氮化铝( a 1 n ) 薄膜 等材料应用于发射电子的阴极，从而使显示器件可以采用二极管的结构。如图卜2 所示， 图i - 2 二极管型的f e d 结构 这种器件依靠来自低势垒材料的发射，很适于大面积的显示。此外，由于无需制作大量 的尖锥，可以降低制作难度，但对于阳极荧光材料提出了更高要求，此外由于二极管型 场发射显示器阳极与阴极之间的间距很小，在隔离柱材料的选择以及器件封装工艺方面 有很大难度。通常厚度在几十至二百微米之间的隔离柱需要有足够的刚度和强度，且需 要良好的绝缘性能和极低的放气率。在对f e d 器件进行封装时，需要在极小的空间内保 持高真空，而且需要保证阳极与阴极图形的准确对准。这些问题都需要进行更加深入的 研究才能解决”1 。 此外，在某些特定的高性能场合，在工作期间需要进行电子聚焦，一种方法是采用 三极管结构再附加个辅助聚焦调制极，这种四极管在荧光屏电压、荧光屏到栅极的跨 距和适合于高性能工作的发射电压间达到平衡”。 第二节场发射显示器( f e d ) 研究进展 场发射显示器( f e d ) 即f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，是新发展的一种很有前途的平 板显示器，f e d 是c r t 显示与平板显示的有机结合，所以f e d 具有c r t 和平板显示的主 要优点，比如： 全色、全灰度、高分辨率、高亮度、和高对比度 有很强的非线性i v 特性，可直接进行矩阵显示 响应速度快，适用温度范围宽 薄而质量轻，视角宽，适合多角度观看 h 再 利用冷阴极发射电子，功耗低，节省能源。 冷阴极多微尖冗余发射，即使有几个或多个微尖出现异常，也不影响显示特性。 工艺较l c d 简单，估计成本低于a m l c d ，没有磁场、没有x 射线产生，更加环保。 图i - 3 场发射显示器样机 因此，受到市场的广泛关注。而扬发射显示器的研究与开发也历经数十载。对于f e d 的 设想起源于二十世纪六十年代。当时斯坦福研究所( s r i ) 的k e ns h o u l d e r s ”1 就根据场 发射阵列的原理生产制造电子束的微型设备。在1 9 6 8 年，斯坦福研究所( s r i ) 的c a p p s p i n d t ”1 第一次验证了场发射阵列的可行性。s p i n d t 成功应用了半导体制造业的方法去 制造微米级的阵列，每个金属微尖都由金属包围。经过十余年的发展，1 9 8 5 年，r o b e r t m e y e r 1 的研究小组在l a b o r a t o i r ed e l e c t r o n i q u e d et e c h n o l o g i c d i n s t r u m e n t a t i o n ( l e t i ) 试验了第一台场发射显示器的样机。这种技术的突破使世界 上很多工业队伍投资发展f e d 。那些没有涉足液晶显示器制造业的刚刚起步的公司和大 公司对f e d 特别感兴趣。根本的理由是f e d 价廉物美，这能使这些公司跳过已经没有发 4 前言 展空问的液晶显示器制造业”1 。此后，更多的公司和科研机构如m o t o r o l a 、d a e w o o 、 s a m s u n g 等公司，以及俄罗斯莫斯科大学等科研机构。都积极从事f e d 的科学研究和技 术开发，并取得一系列的研究成果，极大地推动了f e d 的发展“。“。其中c a n d e s c a n t 和m o t o r o l a 推出了高电压、全色的f e d 原型：p i x t e c h 和f u t a b a 公司已经开始工业化 生产低压、单色的f e d 产品3 。 进入九十年代以来，我国西安交通大学、清华大学、中科院物理所、长春物理所、 深圳大学、郑州大学等都开展了场发射冷阴极材料的研究，取得了不少有价值的成果， 同时定期召丌全国性的真空微电子学与场发射年会，促进了学术水平的提高，且在多次 会议上呼吁有关单位提供适当的f e d 荧光材料。与之很不相适应的是，尽管场发射材料 的研究取得了很大的进展，场发射显示器件方面的工作却显得十分薄弱。面对当今世界 显示器件领域日新月异的发展，包括f e d 在内的各种新型f p d 器件不断涌现的严峻形势， 我国显示界应当密切跟踪国际最新研究成果，同时要力争有所创新，只有这样才能使我 国在未来激烈的市场竞争中占据一席之地。 第三节场发射阴极材料及器件封装 场发射阴极材料、阳极荧光材料、隔离柱材料以及器件封装工艺是场发射显示器的 三大核心技术难题。当前，场发射显示器制作方法的主流是应用s p i n d t 型尖堆( 材料 有m o ，s i 等) 作为冷阴极，采用三级管结构。 图1 - 4 尖锥形场发射阴极材料 电子场发射阴极材料是f e d _ 关键的材料，它的性能不仅决定了阴极的场发射性能， 而且决定了阳极荧光材料应具备的性能，以及隔离柱的性能和应采取的器件集成封装工 艺。 早期的场发射材料多为功函数相对较低的金属或半导体材料，如m o 、s i 等，通常 将它们制作成尖锥形，利用几何场增强效应来提高它们的电子场发射性能，如图卜4 所 示。这种方法需要大面积的精密机械加工，难度较大，成本昂贵，而且尖堆极易破坏， 直接影响到显示器的寿命0 3 。近年来，薄膜型冷阴极材料逐渐成为f e d 研究领域的热点 之一。九十年代初，在较低的电场下，从金刚石薄膜上观察到了场发射现象“。此后， 金刚石薄膜在f e d 中广泛应用“1 。近来，研究发现类金刚石与金刚石具有相似的价键 刖鬲 结构，也可具有负电子亲和势，所以也能够在低场下发射电子而作为很好的冷阴极场发 射材料“1 。类金刚石薄膜可以在室温下制备，这样对基底材料就没有太多的限制，如塑 料、玻璃等都可作为基底。同时类金刚石薄膜的制备成本比较低，比较容易获得较大面 积的薄膜。因此具有广阔的应用前景。用于场发射的冷阴极薄膜材料除了余剐石薄膜、 类金刚石薄膜以外，还有碳纳米管等类型”1 ，它们的共同特点是具有低于m o 、s i 等材料 的功函数和极低的甚至是负的电子亲和势，无需制作成尖锥即可获得较高的电子发射性 能。薄膜型阴极的主要问题在于其电子发射稳定性和均匀性需要进一步提高。 在f e d 器件的制各过程中，阴极板和阳极板通常是分剐制作的，然后与其它零件一 起装配，最后进行封装。在器件封装的过程中，会对器件显示质量产生影响的因素包括 阴阳极之间的距离、阴阳极板的平行度和器件内部的真空度等。前两者直接与隔离柱有 关，而后者也会受到隔离柱选择和设置的影响。因此，隔离柱材料和阴阳极材料一样， 是f e d 器件十分关键的材料。 首先，隔离柱很薄而且尺寸必须十分均匀，因为f e d 器件阴阳极距离通常都很小。 其次，隔离柱材料应该有一定的刚度和强度，此外，作为隔离阴阳极的材料，隔离柱不 能发生导通或漏电现象，最好采用绝缘材料。 f e d 器件的内部是一种两个方向上尺寸较大而另一个方向上尺寸很小的特殊空间， 在器件封装排气时由于排气截面小，气阻大，不容易实现高真空。因此f e d 器件应当在 真空环境中充分去气后封装。同时，在器件调试和工作时，阴阳极和其他零部件还会释 放一些气体，需要后续的排气手段保持高真空。此外，隔离柱和其他零件的选择和设嚣 都要以本身放气量为原则n “。 第四节场发射阳极荧光材料 场发射显示器所使用的荧光粉需要在低电压( 3 0 0 i o k v ) ，大电流密度( 1 0 0 u a c m 2 ) 的电子束激发下工作。属于低压阴极射线发光。因此，要求低压下荧光粉要具有 效率高，组成稳定，不易分解及产生对冷阴极毒化的成分，颗粒细小且结晶质量好，尽 可能减少杂质和缺陷，由于f e d 工作特点，荧光粉的表面修饰是很重要的，要保持荧光 粉有较好表面导电性，提高荧光层的电导率有助于减少电荷积累效应，减轻荧光材料的 老化效应，此外，发光的闽值电压要尽量低，余辉时间要适中。目前所使用的荧光粉大 多数是从传统的c r t 荧光粉中借鉴来的，如表1 1 所示。近年来，人们致力于改进现有 的发光材料和寻找新的、适合于f e d 的发光材料，并已取得了一定的成效”9 。 纵观f e d 荧光粉的开发与研究，大致可以概括为如下几类体系： 1 ) z n o 型 2 ) z n s 型 3 ) 稀土硫氧化物 4 ) y 。嘎：e u 主发射峰是6 1 l n m 5 ) s n 0 ，：e u 6 前言 6 ) z n g a 。0 体系 7 ) y ，a l 。0 ，：体系 从荧光粉的发光颜色来说，可分为： 红粉：y 如，：e uy 2 0 2 s ：e u s r t i m ：p r 绿粉：z n o ：z nz n s ：c u ，a ly 。( a l ，o a ) s 0 ：t b y ：s i o j ：y bz n ( g a ，a 1 ) ? 0 一：m n g d ：o a ：t bs r g a ：s 。：e u ” 蓝粉：y ，s i 魄：c ez n o a 2 0 z n s ：a g ，c l 此外，f e d 器件的阳极通常为粉末荧光材料，采用荧光粉涂屏。荧光粉层的性能与 涂屏工艺密切相关。常见的涂屏工艺有沉淀法、甩涂法、丝网印刷法和电泳沉积法等。 虽然这些方法具有工艺简单，成熟，节省荧光粉，造价低廉经济的优点，但是粉末涂屏 法制备的屏厚度一般为几微米到几十微米，非常不适于f e d 中。这时因为f e b 产生的初 级电子的能量较低，因此穿入荧光屏的深度也较浅，根据公式r ( v 0 ) = 0 0 1 1 5 5 v 0 1 6 5 ( 帅) ，当v 0 = l 、5 、1 0 、2 0 k v 时，得到的电子射程是0 0 1 2 、0 1 6 4 、0 5 1 6 、1 6 1 9 1 j | n ， 即电压为1k v 时，电子束进入荧光粉的深度仅为1 2 纳米。此时只有在屏表体范围的激 活剂中心才可以被激活，并产生发光。当使用沉淀屏时，仅有表面的荧光粉被激发而产 生发光，这一部分光还要穿过其余的无用的荧光粉层到达屏的表面，同时造成损耗。最 终影响显示器的发光效率。同时，由于这种方法制备的屏表面粗糙，致密及均匀性差， 容易造成光的反射且稳定性不好。另外，为保证f e d 器件阴阳极的平行度，还要求荧光 层厚度十分均匀，由于阴阳极距离小，荧光层的不均匀会导致电场的不均匀；由于f e d 器件工作场强很高而且荧光屏是开放式的，荧光层要承受高速电子的轰击而不致脱落， 还必须与基底有较高的附着力。 因此经过一段时间的考察，f e b 薄膜屏的采用是近一两年国外研究4 、组首选的手 段。 薄膜屏是通过不同的镀膜技术“( 如真空电子束，磁控溅射，激光镀膜或气相反 应) 将荧光粉制备到i t o 导电玻璃上，薄膜屏的制备厚度一般较薄并且均匀，甚至可以 是半透明的，厚度可以控制，因此薄膜屏具有致密，均匀，厚度可控，分辨率高的优点， 比较适用于f e d 的工作。荧光薄膜内部几乎不存在漫反射现象，因而具有更高的对比度 和清晰度，致密的薄膜与基底紧密的接触，不仅能够达到散热效果好，而且又可以承受 更高的驱动电压以及具有更小盼放气率。 发光亮度和发光效率是衡量显示器和显示材料发光性能的重要指标，目前在f e d 的 研究和制备过程中，制约其发展的主要因素之一就是荧光材料发光效率的限制。影响f e d 中荧光材料发光效率的主要因素有：l 电子束电压，2 荧光屏的导电性，3 荧光材料的饱 和行为，4 荧光粉本身的退化。改善荧光屏的发光效率需要考虑在以上几方面采取措施 前言 第五节论文的研究内容 目前，f e d 的发展面临着一些挑战，例如：新显示材料和新的制备方法、场发射阵 列的新材料和新结构、f e d 的隔离柱材料及封装技术。显示屏作为f e d 的重要组成部分， 对显示材料和制备工艺提出了更高的要求。由于利用发光薄膜制备的显示屏具有荧光层 表面平整、与基底结合良好、热稳定性高等优势，己经成为研究的热点。本论文对f e d 器件的工作原理进行研究，分析了发光薄膜的发光原理及过程确定薄膜的制备方向， 为下一步的实验研究提供理论依据。然后利用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法模拟薄膜生 长，通过对不同参数的设置，可以了解不同工艺条件下的成膜过程及各参数变化对成膜 的影响。最后用电子束蒸发的方法制备了三基色荧光薄膜。以下为具体的研究内容： 本文首先以宽带隙半导体材料作为场发射阴极材料、以荧光薄膜作为阳极材料构建 了f e d 工作模型。研究了半导体材料场发射特性、极板间距，真空度，电子的渡越时间、 f e d 荧光薄膜的发光性能，探讨了一些提高f e d 性能的有效途径。为下一步的实验研究 提供理论依据。 本文还描述了薄膜生长的一般过程，对于薄膜生长过程有两种主要的理论模型，用 统计物理学建立起来的原子成核和生长理论和建立在热力学基础上的成核毛细作用理 论。本文采用统计物理学建立起来的原子成核和生长模型，描述薄膜生长的基本过程。 并利用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法模拟薄膜生长。从模拟的结果可以看出，覆盖度， 基底温度与成团原子数之间有密切关系，影响着薄膜生长。 在对薄膜屏工作原理、薄膜生长过程的研究基础上，用电子束蒸发方制备了y z o s ：e u 荧光薄膜、z n o ：z n 荧光薄膜、y a g g ：t b ，g d 荧光薄膜、z n s ：z n ，p b 荧光薄膜。对各发光薄 膜都经过不同条件下退火处理。并用c u 源x 射线衍射表征荧光薄膜的结构，用x 射线 光电子能谱测定荧光薄膜的成分，用扫描电子显微镜观察荧光薄膜的表面形貌，用 h i t a c h if 4 0 1 0 荧光分光光度计检测荧光薄膜的光致发光谱。对制备的荧光薄膜的组成、 结构、表面形貌、发光性能进行系统分析，研究发现随着温度的升高，提高了薄膜的结 晶程度，弥补了薄膜晶体表面的表面缺陷，提高了薄膜的发光性能。因此，退火处理是 提高荧光薄膜发光性能的有效方法之一。 8 前言 参考文献： 1 y f u n a k i y m o c h i z u k i f i a tp a n e 】d i s o l a ym a r k e tt or e a c h1 0t r il li o ny e nb y2 0 1 0 n i k k e jm i c r o d e v i c e s ，f l a tp a n e ld i s p l a yy e a r b o o k ，i n t e r l i n g u a ，r e d o n d ob e a c h ，c a l i f o r n i a ， u s a ，1 9 9 9 ，7 5 2 w b c h o i ，0 s c h u n g j h k a n g ，h i g h b r i g h t n e s s c a r b o n n a n o t u b ef i e l de m i s s i o n d i s p l a y a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 9 ，7 5 ：3 1 2 9 3 1 3 a a t a i i n ，k a d e a n ，j e + j a s k i e ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y s ：ac r i t i c a lr e v i e w ， s o l i d - s t a t ee 1 e c t r o e i c s ，2 0 0 1 ，4 5 ：9 6 3 9 7 6 4 g a j a m a r t u n g a ，s p r s i i v a n i t r o g e nc o n t a i n i n gh y d r o g e n a t e da m o r p h o u sc a r b o nf o r t h i nf i i mf i e l de m i s s i o nc a t h o d e s ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 6 ，6 8 ：2 5 2 9 3 1 5 c ，w a n g ，d c g a r c i ai n g r a m ，m l a k e ，e ta l ，c o l df i e l de m i s s i o nf r o mc a dd i a m o n df i i m s o b s e r v e di ne m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ，e l e c t r o nl e t t ，1 9 9 1 ，2 7 ：1 4 5 9 6 l 6 s j o u ，h j d o e r r ，r f b u n s h a h ，e e c t r o ne m i s s i o nc h a r a c t e r i z a t i o no fd i a m o n dt h i n f i l m sg r o wf r o mas o l i dc a r b o ns o u r c e ，t h i ns o li df i i m s 。1 9 9 6 ，2 8 0 ：2 5 6 - 6 1 【7 y ，s h a n ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，o p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 7 ：3 0 5 3 0 7 8 k r s h o u l d e r s m i c r o e l e c t r o n i c su s i n ge l e c t r o nb e a ma c t i v a t e dm a c h i n i n gt e c h n i q u e s ， a d v c o m p u t 1 9 6 l 2 ：1 3 5 9 c a s p i n d t 。at h i nf i l mf i e l de m i s s i o nc a t h o d e ，j a p p l p h y s ，1 9 6 8 ，3 9 ：3 5 0 4 1 0 a ，g b i s r m e y e r ，p r a m b a u d ，e ta 1 s e a l e dv a c u u md e v i c e ：f u o r e s c e n tm i c r o t i p d i s p l a y s i e e et r a n se l e c t r o nd e v 1 9 9 3 ，3 8 ：2 3 2 0 1 1 j d s h o v l i n ，m e k o r d e s c h ，e l e c t r o ne m i s s i o nf r o mc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t e dd i a m o n d a n dd i e l e c t r i cb r e a k d o w n ，a p p l p h y s l e t t ，1 9 9 4 ，6 5 ：8 6 3 8 6 5 ：1 2 1 f u t a b af e dw e bsite：http：wwwfutaba-na,comfedfedfram,htm 【：1 3 p i x t e c hf e dw e bsite：http：wwwpixtech,comproductsoec,htr 1 4 n k u m a r ，h s c h m i d t ，c x i e ，d i a m o n d - b a s e df i l e de m i s s i o nf l a tp a n e ld i s p l a y s ，s o l i d s t a t et e c h n 0 1 1 9 9 5 ，3 8 ：7 卜7 2 1 5 a a t a l i n e ta 1 e l e c t r o nf i e l de m i s s i o nf r o ma - t ca n da - t c ：n ，j v a c s c i t e c h n 0 1 ， 1 9 9 6 ，a 1 4 ：1 7 2 0 1 7 2 2 1 6 1a r i c h t e r ，m k l o s e ，o p t i c a lp r o p e r t i e so fd i a m o n d li k ef il m sd e p o s i t e db y l a s e r a b l a t i o n ，o p t i c s t e c h n o l o g y ，1 9 9 2 ，2 4 ：2 1 5 2 1 8 1 7 李炜中国科学院微电子学与坷体电子学博十论文( 2 0 0 0 ) 1 8 e c h a r l e s ，h u n t ，e ta 1 ，p h o r s p h o rc h a l l e n g ef o rf i e l de m i s s i o nf l a tp a n e ld i s p l a y ， j v a c s c i t e c h n o l ，b 1 9 9 71 5 ：5 1 6 5 1 9 1 9 s a n g 眄nk a n g 。e ta 1 ，o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ep h o s p h o r ss c r e e ni nf i e l de m i s s i o n e n v i r o n m e n t s ，j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，1 9 9 7 1 5 ：5 2 0 5 2 3 2 0 v a b o l c h o u c h i n e e t g o l d b u r t ，b n l e v o n o v i t c h ，d e s i g n e d ，h i g h l y - e f f i c i e n tf e d p h o s p h o r sa n ds c r e e n s ，j o u r n a lo fl u m i n e s c e n c e2 0 0 0 ，8 7 8 9 ：1 2 7 7 1 2 7 9 2 1 m ，j o s e p h ，h t a b a t a ，h s a e k i ，e ta l ，f a b r i c a t i o no ft h e1 0 w r e s i s t i v ep t y p ez n o b yc o d o p i n gm e t h o d p h y s i c ab ，2 0 0 1 ，3 0 2 3 0 3 ：1 4 0 一1 4