（物理电子学专业论文）场致发射器件中二次电子发射的研究.pdf

摘要 随着真空纳电子学( v n e ) 越来越受到关注，对于场致发射显示器件( f e d ) 的研究不断深入。场致发射 过程中，二：次电子发射现象不可忽视。二次电子发射引起电荷积累，改变电场分布，二次电子再与空间电 荷碰撞激发离子，引起离子轰击，这些将对场致发射造成极大影响。 本论文介绍了场致发射和二次电子发射的机理。在前人研究的基础上，建立了套二次电子的发射模 型。利用m o n t ec a r l o 方法，模拟场致发射器件中二次电子的产生、运动过程。在模拟的过程中，同时考 虑了空间电荷积累效应，二次电子发射利背散射过程。 论文模拟了具有不同形状电子输运通道的场发射结构中屯子的发射和运动过程。结果显示，通道内壁 上半部分积累正电荷，内壁下半部分和通道下壁积累负电荷。通过比较不同模型中电压分布和阴极电流密 度分布，发现增大通道壁的斜率有助于减少通道下壁的电荷积累。此外，还发现增大通道的斜率将使直接 打在阳极上的一次电子比例减小，因此，通道的斜率越大，应用于新型双栅极结构时，调制效果越好。 论文研究了场发射中基于二次发射的离子轰击情况。模拟了不同初始条件下，个带有h o ps p a c e r 和 f l us p a c e r 的场发射结构中电子发射和离子轰击过程。通过比较，发现增大电极上的电压会激发更多的二次 电子和背散射电子，由此增大离子轰击程度。另外，相同初始条件下，h o p 结构中受到的离子轰击比n o r m a l g a t e 结构中的程度弱。 我们搭建了一套实验装置，用来观察场发射中到达阳极屏上的电子( 主要是二次电子) 的能量分布。 司时，论文对多种初始条件下简化的实验结构中电子的运动情况进行模拟，计算得出屏上电子的能量分布， 并- 4 实验结果相比较，发现模拟结果与实验结果有一定相似性：初始电子的发射中心与h o p 通道中心的距 离对能穿过通道的电子数目影响极大：实验中和模拟中得到的切向能量分布具有相似的趋势。 关键词：场致发射，二次电子，电荷积累离子轰击 奎塑查兰堡主兰堡堡苎 a b s t r a c t a st h er e s e a r c ho fv a c u u mn a n o e l e c t r o n i c s ( v n e ) i sa t t r a c t i n gm o r ea r e n t i o n ，m a n yp r o g r e s s e sh a v et a k c np l a c e i nt h ef i e l do ff i e l de m i s s i o nd e v i c e s ( f e d ) i nt h ep r o c e s so ff i e l de m i s s i o n ，t h es e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o ni s i n e v i t a b l e ，t h es e c o n d a r ye m i s s i o nm a yi n d u c ec h a r g ea c c u m u l a t i o n ，c h a n g ee l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o na n d p r o d u c ei o n sw h i c hm a y c a u s et h ed a m a g et ot h ec a t h o d e t h r o u g hi o nb o r n b a r d m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e c h a n i s mo ff i e l de m i s s i o na n ds e c o n d a r ye m i s s i o na r eb o t hi n t r o d u c e d b a s i n go n p r e v i o u sr e s e a r c h e s w es e tu pam o d e l t os i m u l a t et h ef i e l de m i s s i o np r o c e s s u s i n gt h em o n t ec a r l om e t h o da n d c o n s i d e r i n gt h es p a c ec h a r g i n ge f f e c t ，w es i m u l a t et h ep r o d u c t i o na n dt h et r a n s m i s s i o no f t h es e c o n d a r ye l e c t r o n s i nf e d s ，a n dt h ec o l l i s i o na m o n g p a r t i c l e s w ed i s c u s st h ee f f e c to fc h a r g ea c c u m u l a t i o ni nf i e l de m i s s i o nd e v i c e sw i t hf o u rd i f i e r e n tt y p e so fc h u n n e l s n u m e r i c a lr e s u l t ss u g g e s tt h a ti nf i e l de m i s s i o no p e r a t i o n d i f f e r e n tp a r t so f ac h u n n e la r ec h a r g e dd i f f e r e n t l y w e f i n dt h a tt h ei n c r e a s i n gs l o p eo ft h ec h u n n e l sw a l lm a yr e d u c ec h a r g ea c c u m u l a t i o n so nt h ec h u n n e l su n d e r s i d e w a l l a l s oi ti ss u g g e s t e dt h a tt h ei n c r e a s eo ft h ee h u n n e l ss l o p ew i l lr e d u c et h er a t i oo fn u m b e ro fp r i m a r y e l e c t r o n sr e a c h i n gt h ea n o d et ot h a to f a l le l e c t r o n sr e a c h i n gt h ea n o d e 。 t h ei o nb o m b a r d m e n ti naf e de q u i p p e dw i t hh o pa n df l u s p a c e r sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d w ec o m p a r et h e d a m a g e so ft h ec a t h o d ed u et o i o nb o m b a r d m e n ti nt h r e ed i f i e r e n ts i t u a t i o n s i n c r e a s i n gt h ev o l t a g e so nt h e e l e c t r o d e sw i l lc a u s em o l ed a m a g e st ot h ec a t h o d e i na d d i t i o n ，u n d e rt h es a m ei n i t i a lc o n d i t i o n s ，t h ed a m a g eo f t h ec a t h o d ei nt h eh o p s p a c e r s t r u c t u r ei si e s st h a l lt h a ti nt h en o r m a ig a t es t r u c t u r e a n e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n ti ss e tu pt oo b s e r v et h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fe l e c t r o n s ( m a i n l ys e c o n d a r ye l e c t r o n s ) o nt h ea n o d es c r e e ni nt h ef i e l de m i s s i o n s i m u l t a n e o u s l y , t h er e l e v a n ts i r e u l a t i o nw i t hd i f i e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n s h a sb e e nm a d e c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o n ，w ef o u n dt h a t ( 1 ) t h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v es o m es i m i l a r i t i e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ；( 2 ) t h e p o s i t i o no f t h ee m i t t i n gc e n t e rh a sad r a m a t i c i n f l u e n c et ot h en u m b e ro fe l e c t r o n st h a tc a ng oo u to ft h eh o pf u n n e l ；( 3 ) t h et r e n d so ft r a n s v e r s ee n e r g y d i s t r i b u t i o ni nt h e e x p e r i m e n t a n di nt h es i m u l a t i o na r es i m i l a r , k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o n ，s e c o n d a r y e l e c t r o n ，c h a r g ea c c u m u l a t i o n ，i o nb o m b a r d m e n t y 6 4 4 3 4 6 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：判狄日期：生盟j ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容桐一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：列狄 、，厂1 ， 导师签名： 丝! j 日期：? 3 1 i 汕， 一一 丝二空丝坠一 1 1 场发射乎板显示器件 1 1 1 场发射平板显示器的特点 第一章绪论 显示器件已经渗透到当今社会民用和军用的各个领域。随着信息技术的发袋，对显示技术和显示器件 提出了越来越高的要求。目前在市场上占主导地位的显示器件是阴极射线管( c r t ) ，它具有高亮度、高分 辨率、全视角等优点，但传统c r t 的大体积、大重量、高电压限制了它在未来军事和民用领域的应用。近 期显示器铎的技术发展重点将集串在全平露纯、高亮度和对比度、减小体积、降低功耗及提高分辨率等方 面【i 】。平板显示器件具有重量轻、功耗小、体积小、大屏面等优点。 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 ) 是显示与真空微电子相结合的产物，是发光原理最接近 c r t 的一种平扳显示器件。继l e d 和p i ) p 之后，场致发射显示嚣( f e d ) 园其具有c r t 高画质和l c d 薄型 低耗的双重技术优辨称作显示器的“未来之王”。 对于f e i ) 丽言，它具有c r t 的高图像质量，l e d 的超薄型以及p d p 豹大葱积等特性。在发光效率、亮 度、视角、功耗等方面具有和l c d 和p d p 相当的优势。f e d 还具有分辨率高、色再现性好、对比度好、响 府速度快、耐严酷的商低温、抗振动冲击、电磁辐射极微、生产成本较低、易于实现数字化显示等特点 2 1 。 如袁i 1 所示。 表1 1 平扳显示器性能比较 特髀 l c dp d pf e d 视角( o ) + 6 0+ 8 0+ 8 0 亮发c d m 。2 0 04 0 0 6 0 0 响应时间m s3 0 - 6 0i m 01 0 3 0 u s 对比度) 1 0 0 ：i1 0 0 ：l1 0 0 ：l 发光效率l m w 叫 3 - 41 0t 5 - 2 0 功耗w32 0 02 像素点1 0 2 4 x 7 6 88 5 2 x 4 8 06 4 0 4 8 0 工作温度o co + 5 02 0 一5 54 5 斗8 5 平板厚度m m 8 7 5 1 0 01 0 尺寸t 2 1 1 12 6 41 0 7 。62 6 4 l 。1 2 场发射平板显示原理和结构 真空微电子的概念最早山现在2 0 世纪6 0 年代初，其真实含义是将真空电子器件的尺寸做到微米级， 与当时的半导体器俘相当，劳具备真空器件的独特优势，当然也可以实现器件的集成。毫无疑问，这类器 什只能用微型场发射冷阴极，因此真空微电子技术是和场发射紧密相连共同发展的。由于半导体技术的e 迷发展，使得以真空微三极管为代表的真空微电子器件的发展显得比较苍岛。然丽，微型场发射阴极及冀 阵列的研究却取得了令人瞩目的成果，儿乎成了真空微电子的代名词。自从1 9 6 8 年利用微电子工艺研制 成金属钼微尖场发射阵列开始【3 】，在提高发射电流密度和发射稳定性、延k 寿命、扩大阴极尺寸和降低 东南太学硕士学位论文 引出电压等方面都取得了极火的成功，应用领域也逐步扩大，场发射显示器件是其中最为成功的实例【4 】。 与c r t 一样，f e d 中也是处于真空状态，靠电子轰击荧光粉发光，并且具有基本相同的荧光屏结构。 对丁_ 彩色显示而言，荧光屏都是采用周期分布的三基色荧光粉点和黑矩阵结构，不同之处在于电予的发射 利扫描方式。c r t 中电子束是由三个阴极分别发出，经过调制、聚焦和扫描偏转后打到荧光屏上，荧光屏 被逐点轰击，利用余晖发光显示，色纯由荧光屏前的阴罩保证。在f e d 中，电子是由与荧光屏大小相同的 场发射阴极阵列发出的，每个荧光粉发光点对应一个场发射阴极。阴极发射电流由行和列电极上的电压控 制，发光是逐行进行的，因此每个阵列阴极的发射电流远远小于c r t 中的电子束流。一般情况f ，由场发 射阴极构成行电极，控制栅极( 或称门级) 构成列电极。发射的电子束有一定发散角，为了保证色纯，阴 极阵列与荧光屏之间距离必须很小。一般在0 3 m m 以下，以避免打到相邻粉条上【5 】。过小的阴、阳极间 距使得阳极电压不能超过1 0 0 0 v ，限制了高效率的高压荧光粉的应用。为了解决这一问题，阴极阵列需要 有聚焦结构或自聚焦功能使得发出的电子束不过分发敞。当阴、阳极间距达到3 r a m 时，阳极电压可以 达到6 0 0 0 v 以上t 覆铝膜的高压荧光粉就可以正常应用。连同极板玻璃在内，器件厚度不过6 7 m m ，因 此属丁- 平板显示器件。 l| 鐾蓁 擎做爷支攥 黑底 荧光扮铝膜 l 弛= ：) 匕巴c ) = 芷：c滏i r i 。r 一 图1 ，1 为f e d 的结构示意图。阳极板上有红、绿、蓝三基色荧光粉条，它们之间由黑矩阵( 或称黑底) 隔开，黑矩阵可以适当减小环境光的反射，提高对比度，同时降低打它色的可能性。阴极板上有行列寻址 的微尖场发射阵列和栅极a 阳极板和阴极板之间有支撑结构( s p a c e r ) ，以抵抗大气压。支撑一般是柱状或 墙状结构，目前多采用后者。支撑结构的材料多用陶瓷，材料和加工成本较高，也可用低成本的玻璃，但 数目需增加。支撑结构的放置应以不干扰电子束的轨迹为准。两个极板之间用玻璃边框和低熔点玻璃封接， 为t 维持其中真空度，器件中需放置适当量的消气荆 6 1 。 1 1 3 场致发射显示的技术优势 虽然f e d 目前还在开发中，但它所具备的潜在优势已很明显。这些优点都有助于显示屏的性能的提高。 l 场致发射阵列( f e a ) 的发射电流密度可达l o l o o a c m 2 的直流发射能力和1 0 0 1 0 0 0 a c m 2 【7 】的脉 冲发射能力，可以提供显示屏的高亮度。 2 f 卧的每个徽电子枪仅有微米尺寸，集成密度可达1 0 5 c m 2 ，给显示屏提供了超高清晰度，图象质量可望 达到c r t 的水平。 3 低电压( 几百伏) ，低功耗，超薄( 2 r a m ) 。具有制作步行电视( v i e d w a l k m a n ) 或袖珍电视( p o c k e tt v ) 、 头盔电视、壁挂电视等的优越条件。 d 结构简单，无偏转线圈，无聚焦系统，无加热灯丝等c r t 必需的另部件，可实现低成本大规模生产。 5 在绝对零度以上的任何温度下都可实现场发射，具有抗低温、抗高温的固有特性。 6 + 塑曼! 蛩篓璃警钢化玻璃代替普通玻璃将具有抗震、抗击打、抗核辐射、抗潮湿等高可靠性能。可 在极恶劣的环境下工作。 7 场发射的电流电压特性具有高度非线性，有利于增加图像的灰度和动态范围。 2 笙= 童堕笙 一 8无阴极功耗，无预热延迟，可高密度集成化，发射电流密度大，电子初速分布窄，并且可以在低电压下_ _ l = 作。 i 2 微尖阵列场发射阴极( f e a ) l 2 1 金属微尖阵列场发射阴极 根据福勒( r h f o w l e r ) 和诺德海姆( l w n o r d h e i m ) 【8 】首先推出的场致发射理论可以知道，要 得到较人的场发射，只有两个手段，降低发射体功函数1 9 1 3 1 增加其表面电场【1 3 1 7 1 。对于常用 利料，功函数低意味着化学性质活泼，特别容易氧化。例如用在光电阴极中的金属铯及其n 型半导体氧化 物，功函数分别为i 5 e v 和o 5 e v ，然而这类材料只能在真空条件下处理，限制了它们在场发射中的应用。 对于一般金属发射体，要得到有效的场发射，发射体表面电场要达到l 矿v m 。这么高的电场，一般是通过 尖端效应得到的。从场发射现象被发现起，人们一直用难熔金属尖端作为阴极。早期的试验是用钨丝通过 电化学腐蚀得到曲率半径达1 0 n t o 以下的尖端，这种钨尖发射体现在仍成功的用在场发射电子显微镜中。 将场发射阴极用到电子器件中，必须解决以下两方面的问题：1 ) 需要分布密度足够高的均匀微尖阵列， 丽不仅仅是单个微尖，以得到一定面积上的均匀发射：2 ) 需要近距离的引出电极，称为栅极或门极。与 微尖距离小于1 m ，引出电压为儿十伏特。 蜘 寺d 电子阴极导电层( 列) 图1 3 阵列发射阴极结构 1 9 6 8 年美国斯坦福研究院( s r i ) 的c a s p i n & 等用微细加工技术制出了栅控金属钼微尖场发射阵列 ( f e a ) 【3 】t 上述问题才开始基本解决。他们得到的基本结构如图1 2 、1 3 所示。 该场发射阵列结构包括衬底、引出底电极、串联电阻层、发射微尖、带微孔的栅极( 门极) 、栅极与 查壹茎兰堡主堂垡堕兰 底电极之间的介质等。衬底用硅或玻璃，引出底电极和门极一般用金属钼薄膜。栅极微孔直径l p m 左右， 尖端处一般与栅极平面取平。隔离介质层采用二氧化硅厚度l m 左右。上述结构中，当栅极电压为几 t 伏特时。发射体尖端处的场强可达1 0 9 v i m 。如此强的电场使得表面势垒变低和变薄，金属中的自由电子 可以通过隧道效麻发射到真空中。 1 2 2 微尖发射的特点 与热阴极发射相比，场发射在空间上的均匀性和时间上的稳定性方面都相差很远，这是由发射原理决 定的。在热阴极中，对于给定的阴极材料，只要阴极温度足够高，发射电流密度的大小与发射体本身基本 无关。发射电流受空间电荷限制。大小由阳极或栅极电压决定，而阴极表面电场为零或为负。在场发射中， 为了产生有效发射，发射体表面电场非常强，不可能实现完全的空间电荷限制。发射电流不仅与阳极或栅 极电压有关，而且与发射体参数有关，后者的影响更大1 7 1 。 分析实验表明，一个微尖发射阵列在工作中，平均只有不到1 0 的微尖产生发射，绝大部分并不发射， 而且产生发射的微尖还在不断发生变化。即使对一个正在发射的微尖，发射也不是发生在整个尖端处，而 是发生在其上局部位鬣。练上所述，无论对一个微尖或对一个发射阵列场发射都是一个统计平均值。当 微尖的数量很大时，总的发射电流起伏就变得比较小了。对于传统的钨尖场发射体，一个微尖就可以得到 较为稳定的场发射。主要原因是表面场强高，有效发射面积达，减弱了发射起伏的程度。 影响场发射电流的囡素很多，主要有发射体的形状、材料的功函数、真空度和表面污染情况等。 1 2 3 发射体几何参数的影响 图1 4 微尖发射体的几何结构 在同样的阴栅极间距和栅极电压下，发射体表面电场由其几何形状决定。任何一点微小的差别都将影 响电场的人小和分布。不管用什么方法制备微尖阵列，作为单独个体微尖的发射性能都是无法精确控制的， 这是因为场发射是在原予最级的微突起处发生的。发射体的尖端电场最强，但这并不意味着处处都有发射 电流。而在尖端处之外也不排除存在一些原子量级的微突起，可以产生有效的场发射。这些微突起在制作 中是无法控制的，而且在工作期间由于电场、场发射热效应以及离子轰击等原因，这些突起还会消u 火和产 生。 作为一个宏观阵列，研究微尖和栅孔的尺寸以及它们之间的相对位置对发射的影响是有意义的。对于s p i n d t 微尖，几何参数如图1 4 所示，x 表示微尖顶端相对于栅极平面的距离，d 是是微孔直径，r 是微尖半径。 为了使得微尖有较高的发射能力，应尽量减小栅极孔径d 。此外，还要调接好尖端与栅极平面的距离，一 股微尖顶端高出栅极平面1 0 0 2 0 0 n m 为宜。 实际上，微尖圆锥体顶角对发射电流的影响是非常大的。但这一角度在工艺上很难控制，可以采用多次光 刻和蒸发的方法实现非常小的项角 6 1 。 4 一笪= 兰型l 一 1 2 4 发射体材料的影响 从f n 公式可以看出，功函数对发射电流影响很大，采月j 低功函数得发射表面事增大电流密度和减小 引出电压的有效手段。表l2 给出了电场强度为4 1 0 7 w c m 时功函数与发射电流的关系。功函数每降低 0 2 e v ，发射电流增大到3 2 倍左右。 功函数( c v ) 30323 4 363840 4 244 46 发射电流 1( 1 0 5 a c m 2 ) 00 5 20 0 1 70 5 6 8 0 1 8 66 0 2 l9 36 0 81 90 5 8 3 由于测量方法和表面状况的不同，文献中给出的功函数有一定差别，虽然一般不会大于0 2 e v t 但对 发射电流的计算已经影响很大。由于金属表面吸附气体，导致功函数提高1 0 3 0 一在选择发射体材料时， 除了考虑功凼数这一因素外，材料的物理和化学稳定性，加工容易程度，价格等都是重要依据- 表1 3 给 山r 常用材料的功函数及蒸发温度。 表1 3 常用材料的功函数和蒸发温度 材料 m ot aws i l a b 6 h f nt i nz r n金刚石 蒸发温度( o c )2 0 9 0 2 5 0 72 6 6 71 2 0 4 2 2 0 0 l功函数( e v ) 4 ，44 24 s4 1 5 2 73 73l2 8n e a f e d 要经过4 5 0 。c 左右的高温封接过程，由于是在保护性气氛下进行，对材料的高温抗氧化能力没有 特殊的要求。但所选材料必须具备常温抗氧化能力，并且需要较高的熔点，避免封接中材料蒸发引起极间 耐压降低。 最常用的发射体材料是难熔的过渡金属元素，特别是m o ，基本满足上述要求【1 8 1 。不足之处是功函 数较高。在发射微尖上沉积一层低功函数薄膜是降低功函数的有效手段。有报道，用铯化技术来降低场发 射阵列的栅极门限电压效果非常明显。然而这一过程必须在真空中完成，很难用到实用化的器件制造中。 同时由于碱金属的熔点太低，容易蒸发到绝缘材料上，引起电阻下降，导致打火击穿。元素周期表中i v 副族金属的氮化物如氮化钛、氮化锆、氮化铅等具有良好的导电性，很高的熔点和较低的功函数，并且具 有较好的抗氧化性能，可以用来制作场发射体和发射体涂层。这些氮化物能够很容易地进行电子束蒸发， 可以在m o 微尖蒸发完成后沉积一层，以达到降低功函数的效果。 1 3 纳米管场发射显示器件 自2 0 世纪9 0 年代初碳纳米管( c n t ) 出现后【1 9 2 2 】，很快就被用到场发射的研究中来。这类发射 体包括在衬底上南接生长和用纳米管粉末涂覆在衬底上两大类。后一类分为丝网印刷型、电泳沉积型和电 镀型等。 碳纳米管直径小于1 0 0 n m ，甚至小于l n m ，长度可以达到数微米以上，其尖端有很小的曲率半径。碳 纳米管有良好的导电性能，因此可以成为优良的场发射体，在很低的电场下可以得到场发射显示所需的 电流密度。 c n t 包括单壁( s w n t ) 和多壁( m w n t ) 两种，依据顶端状态又分为开口和闭口两种。在含铁、钴、 镍等的催化剂作用下用化学气相沉积法( c v d ) 、电弧放电法、激光消熔法、裂解法等产生各种形态的c n t 查壹查堂堡主堂垒堡塞 一 1 3 1c n t 的场发射机制 c n t 晟初用丁场发射起因于其纳米量级的直径和很大的长度直径比，有很高的电场放大因子。c n t 的发射闽值电场一般为1 l o v a m 。远远低于难熔过渡金属微尖的发射闽值 2 6 2 9 】：实际上，金属微 尖的曲率半径与c n t 的半径可以相比，电场放大因子也相差不多。至于功函数，石墨材料和难熔过渡金 属也相差不大。斤来的研究证明，c n t 的发射机制非常复杂，不能简单用电场放大因子高来圆满地解释其 很低的发射闽值。 有关c n t 的发射机制有很多种解释，归纳如下： i ) 有人基丁- c n t 场发射的i v 关系遵循f n 定理，认为c n t 与金属发射机制相同。这种解释不能成功 说明c n t 比金属低得多的发射阁值； 2 ) 发射来自c n t 上的单个碳链，因此电场放大因子极大，导致发射阈值低。这种解释不能用实验验证， 并且只适用于解释开口c n t 的发射； 3 ) 石墨层在c n t 开口端形成尖锐的弯曲，碳原子形成金刚石s 一键，而不是石墨的s 矿键，使得表面势 垒大大降低，导致发射闽值非常小。这种解释同样只适用于开口c n t 的场发射： 4 ) 在c n t 顶部存在能量范围分布很窄的量子化局域态能带，电子是从这些能带上发射的。这一解释如 果成立，在电子发射的过程中，能级之间必然发生电子跃迁，并伴随荧光辐射发生，这一现象已经为实验 所证实。隧道显微镜对m w n t 和s w n t 的测量也表明，确实存在这种局域态能带。这些能带分布的半高 宽( f w h m ) 和它们之间间隔与荧光辐射测量结果吻合。由于局域态能带分布与c n t 的结构( 直径和缺 陷等) 直接有关，因此各个c n t 之间能带分布差异将非常大，发射能力也将存在很人差异； 5 ) c n t 表面吸附一层气体分子，电子是通过谐振隧道效应发射的。支持这种论点的依据是，当温度升 高到6 0 0 。c 时，发射降低，f e e d 范围变宽。这归因于气体高温脱附。谐振效应消失。 c n t 的发射机制非常复杂，而且与其种类、结构、缺陷、吸附状态等有关，不是一种解释可以圆满地 院明的。上述解释也未必都是正确的，新的现象和解释也会不断出现。 1 4 发展新型f e d 的必要性 作为第一代场发射显示器件，难熔金属微尖型器件在性能方面达到了较高的水平。由于涉及到精密光 刻、刻蚀和薄膜沉积技术，器件制作成本很高，也很难实现大屏幕。要提高f e d 的市场竞争力，必须解决 以上两个问题，这是下一代f e d 的目标。由于f e d 中阳极结构、支撑和封接等方面改进的余地很小，生 产成本取决于阴极。要实现上述目标，必须要用新的发射体材料和结构，同时要排除制作过程中的精密光 刻和刻蚀技术。 对于2 0 英寸以下的平板显示器件，l c d 以其相当成熟的技术和非常好的性能占领了大部分市场，挑 战将主要来自o l e d ，留给f e d 的机会很小。新一代f e d 将主要瞄准3 0 英寸的大屏幕，这在国际上已经 成了共识。 为了寻求s p i n d t 发射体的替代者，人们进行了广泛的尝试。金剐石薄膜和类金刚石薄膜有较低的发射 l 列值电场，是较早研究的发射材料【3 0 】。由于发射的不均匀性和超过玻璃软化点的处理温度，使得这类 材料很难得到实际应用。2 0 世纪9 0 年代中期碳纳米管优异的场发射性能被发现和研究，其闽值电场小 1 。i o v a t m ，蝴j l v , u m 以“f 。相对简单的制作工艺使得其成为研究的热点，韩国三星电子和日本 6 笙= 童些笙一 伊势电子分别研制成功了1 0 英寸以上的单色和彩色显示器。除此之外，其他类型的f e d 也相继出现，如 日本佳能的表面传导发射显示、松下电子的弹道电子发射显示、英国印刷场发射公司的印刷f e d 和日本日 立公司的金属一氧化物一金属结构的f e d 等。 1 5 论文的选题及主要工作 随着真空纳电子学( v n e ) 这一研究领域越来越受到关注，对于场致发射显示器件( f e d ) 的研究进展不 断深入。进入九十年代以后，由于碳纳米管阴极的制各工艺不断进步和成本不断降低，碳纳米管场发射平 板显示器( c n t f e d ) 的研究成为这一领域的主流。在场致发射过程中，二次电子发射现象的存在不可忽视。 二玖电子发射引起电荷积累，改变电场分布，而二次电子又会再与空间电荷相互碰撞，激发离子引起离 子轰击，毁坏阴极，这一系列现象将对场致发射造成极大的影响。另外，对场发射中二次电子的能量分布 的研究也相当重要，有助于优化场发射器件的结构设计。由于场致发射显示器件新近才引起关注，得到研 究和开发，目前涉及场致发射显示器件中二次电子发射的研究非常少。 由于上述原因，对场致发射中二次电子发射的研究具有很强的科学探索性和广阔的应用背景。本论文 将建立一个带有新型电子输运通道结构的场发射模型，通过对此发射模型的模拟计算、实验和分析，研究 场发射器件中二次电子的发射以及二次发射对阴极、对电场等的一系列影响。其内容包括：对场致发射机 理和二次电子发射机理的研究，采用实验和模拟计算相结合的方法，研究了多种条件下场发射器件中二次 电子发射情况，基于二次发射的离子轰击对场发射阴极的影响，以及场发射器件中二次电子的能量分布。 本文的主要工作如下： 1 首先在第二章和第三章分别介绍场致发射的机理和二次电子发射的机理。不同材料的场发射机制不 同，文中将给出场发射公式的推导，讨论温度对场发射的影响以及场发射的能量分布等。还将介绍二次电 子发射的物理过程，金属、半导体和绝缘体的发射系数和测量方法，并介绍入射条件的不同对二次电子发 射的影响。 2 第四章将介绍进行模拟计算的工具和模拟方法。在模拟中考虑了电荷积累效应，利用m o n t ec a r l o 方法模拟电荷积累的过程。另外，二次发射过程和背散射过程都在计算中给予考虑。文中将较详细地介绍 模拟的输入输出因子，并简略介绍模拟步骤。 3 由于场发射器件内壁材料不导电，电荷积累现象不可避免。第五章将研究考虑电荷积累效应的情况 f ，场发射器件中二次电子的发射。我们将对具有不同形状通道的场发射结构中的发射过程进行模拟，模 拟过程考虑二次电子、背散射电子发射等现象引起的空间电荷效应，通过对阴极附近电场的研究来考察电 _ 0 积累的影响。 4 二次电子与场发射器件中的残余气体分子相互碰撞，会产生离子，而正离子在电场的作用下将同 轰阴极，毁坏阴极材料，对场致发射造成影响。第六章将研究场发射中基于二次发射的离子轰击情况。我 们将通过在不同初始条件下对个带有h o ps p a c e r 和f l us p a c e r 的场致发射结构中电子发射过程和离子轰 击过程进行模拟，对结果进行比较讨论，了解不同初始条件下场发射中离子轰击对阴极的影响，以期进一 步改进结构，减少离子轰击的不良影响。另外我们还将考察一个n o r m a lg a t e 场发射结构中离子轰击的影 响，与h o p 结构进行比较。 5 二次电子的能量分布一直以来受到广泛的关注。研究场发射中的二次电子能量分布，将有助于对场 发射结构进行改进。第七章将研究带有新型电子输运通道的场致发射中二次电子的能量分布。我们搭建了 一套实验装置，用来观察场致发射中到达阳极屏上的电子( 主要是二次电子) 的能量分布，并对多种初始 条件下带h o p 通道结构的场发射器件中电子的运动情况进行模拟，计算得出屏上电子的能量分布，与实验 结果相比较。 7 查塑查兰堡主堂垡堡塞一一 1 6 参考文献 1 雷威、张晓兵，纳米碳管新应用：场致发射平板显示器件，电子产品世界，2 0 0 1 3 f 2 1 朱长纯、史永胜，场致发射显示器的现状与发展，真空电子技术2 0 0 2 一1 5 n 0 5 1 3ic a s p i n & ，ja p p lp h y s ，1 9 6 8 ，3 9 ：3 5 0 4 4 4 c o u r r e g e s fp a r a m e t e r s i n f e dp r o d u c t d e s i g n i n f o r m a t i o n d i s p l a y , 1 9 9 6 ；1 1 ：1 0 1 2 5 】l u c a sm ，l i t h o g r a p h yf o rf e d p r o d u c t i o n i n f o r m a t i o nd i s p l a y , 1 9 9 7 ；4 5 ：2 0 - 2 3 6 1 应根裕、胡文波、邱勇等，乎板显示技术，人民邮电出版社，2 0 0 2 1 0 7 cas p i n d t ，b r o d i ei ，h u m p h r e yl ，e ta 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h i n f i l mf i e l de m i s s i o nc a t h o d ew i t h m o l y b d e n u mc o n e s 【j 】j ：a p p l j p 声，19 7 6 ，4 7 ( 2 ) ：5 2 4 8 5 2 6 3 【8 】r h f o w l e ra n dl wn o r d h e i m c 】p r o cr o y s o e l o n d o n ，1 9 2 8 ，a1 1 9 ：1 7 3 9 】rn t h o m a s ，a n dh c n a t h a n s o n l 【j 】p h y s l e t t , 1 9 7 2 ，2 1 ，3 8 4 - 3 8 6 【1 0 】d t e m p l e ，w d p a l m e r , l n y a d o n ，j e m a n e u s i ，d v e l l e n g aa n dg e m c g u i r e ， j 】j ：v a c s c i t e c h n 0 1 b 1 9 9 8 ，1 6 ，1 9 8 0 1 9 9 0 i1 】b c d j u b u aa n dn n c h u b u n j i e e et r a n s e l e c 眈v ，1 9 9 1 ，3 8 ( 1 0 ) 2 3 1 4 2 3 1 6 【1 2 】wa m a c k i e ，r l h a r t m a n ，m a a n d e m o n ，a n dp r d a v i s 【j 】，v a cs c i , t e c h n o l 鼠1 9 9 4 ，1 2 ，7 2 2 7 2 6 【13 m e n d o ，h n a k a n e ，a n dh a d a c h i f i e l de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f i r a n s i t i o n m e t a ln i t r i d e s j 】，v a cs c i t e c h n o lb ，1 9 9 6 ，1 4 ( 3 ) ：2 11 4 2 1 1 8 1 4 1 c je d g c o m b e ，u v a l d r e t h ee n h a n c e m e n tf a c t o ra n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fa m o r p h o u sc a r b o nf i e l d e m i t t e r s 【j 】s o i l & s t a t ee l e c t r o n i c s2 0 0 1 ，4 5 ( 6 ) ：8 5 7 - 8 6 3 15 c h r i s t o p hn i i t z e n a d e l ，o l i v i e rm k f i t t e l ，o l i v e rg r 6 n i n g ，a n dl o u i ss c h l a p b a c h 【j a p p l p h y s l e f t 1 9 9 6 ，6 9 ( 1 8 ) ，2 6 6 2 2 6 6 4 1 6 jwz h u ，c b o w e r , o z h o u ，c tk o c h a n s k ia n ds j i n ，l a r g ec u r r e n td e n s i t yf r o mc a r b o nl l a n o t u b ef i e l d e m i t t e r s j a p p l 尸枷，l e f t 1 9 9 9 ，7 5 ( 6 ) ：8 7 3 - 8 7 5 i17 】ga j a m a r u t u n g a ，m b a x e n d a l e ，n r u p e s i n g h e ，m c h h o w a l l a ，a n di a l e x a n d r o u ，f c p r o c e e d i n go f a p p l i e dd i a m o n dc o n f e r e n c e f r o n t i e rc a r b o nt e c h n o l o g yj o i n tc o n f e r e n c e1 9 9 9 ，e d s m ，y o s h i k a w a ，yk o g a ， y t z e n g ，c - p _ k l a g e s ，a n dk m i y o s h i ，m y ，k k ，t o k y o ，j a p a n ，1 9 9 9 ，3 3 5 - 3 3 9 ， 1 8 】唐国洪、陈德英，电子器件，1 9 9 7 ；2 0 ( 4 ) ：2 5 【1 9 si i j i m a ，h e l i c a lm i c r o t u b u l e so f g r a p h i t i cc a r b o n 【j 】n a t u r e ，3 5 4 ：5 6 5 81 9 9 1 【2 0 t we b b e s e n ，p ma j a y a n ，l a r g es c a l es y n t h e s i so f c a r b o n n a n o t u b e s j 】n a t u r e ，1 9 9 2 ，3 5 8 ：2 2 0 2 2 2 21 a o b e r l i n ，m e n d o t k o y a m a , f i l a m e n t o u sg r o w t ho f c a r b o nt h r o u g hb e n