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场发射显示器综述报告学号：201021040122 姓名：朱勇利 学院：物电学院1、 引言显示技术作为多学科交叉的综合技术，已经渗透到当今民用和军用的各个领域，发挥着重要的作用。尤其在以网络和无线通讯为标志的信息时代，上下“信息高速公路”均需以显示器作为平台，因而对显示技术的期望值更高。显示技术的产业化将在信息时代得到进一步的发展，并将创造更大的社会财富。在阴极射线管(CRT)、薄膜晶体管液晶(LCD)、等离子体(PDP)、有机电致发光等诸多显示器件中，CRT器件目前最为成熟，在全球市场上占据主导地位，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优点，人们已广泛接受了其色彩和画质，因而它也成为人们衡量其他显示质量的一个无形标准。但CRT存在着体积庞大、笨重、功耗高等缺点。如何保留CRT的色彩与画质，并使CRT数字化、薄型化是科技界与产业界十分关注的问题。而场致发射显示器(FED)，则因为其发光原理上与CRT较为相似，故在是唯一的图像质量可与CRT相媲美的平板显示器，最符合电视特性，并且更易制备出较大显示面积。然而，经过多年的努力，商品化的场发射显示器仍然难以进于市场。究其原因，在于就场发射显示器的关键技术：阴极电子发射材料而言，传统的尖锥冷阴极加工工艺复杂，使得成品率难以提高，成本很难降低。而碳纳米管阴极的出现，为这一显示技术提供了新的突破点。2、 场发射显示器的发展场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出,随后吸引后续的研究者投入研发。 不过,场发射电极的应用是到1991年法国LETI CHENG公司在第四届国际真空微电子会议上展出一款运用场发射电极技术制成的显示器成品之後,场发射电极技术才真正被注意,并吸引Candescent、Pixtech 、Micron、Ricoh、Motorola、Samsung、Philips等公司投入，也使得FED加入众多平面显示器技术的行列。 在场发射显示器的应用，发射与接收电极中间为一段真空带，因此必须在发射与接收电极中导入高电压以产生电场，使电场刺激电子撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。此种发光原理与阴极射线管（CRT）类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，其中不同之处在CRT由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨（Deflation Yoke）来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子，因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的效果。其次在於电压部分，CRT大约需要1530KV左右的工作电压，而FED的阴极电压约小于1KV。 虽然FED被视为可取CRT的技术，不过在发展初期却无法与CRT的成本相比，主要原因是场发射元件的问题。最早被提出的Spindt形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术，但它的阵列特性却限制显示的尺寸，主要原因是它的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥，在制作过程中微影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。 解决之道是采用取代Spindt场发射元件的技术。1991年NEC发表一篇有关纳米碳管的文章后,研究人员发现以纳米结构合成的石墨,或是碳纳米管作为场发射元件能够得到更好的场发射效率,因此碳纳米管合成技术成为FED研发的新方向.3、工作原理众多的阴极发射体以阵列状排列，每一个像素对应于一个或若干个发射体。在强电场作用下，阴极材料表面势垒高度降低，势垒宽度变窄，阴极发射体中的电子通过隧道效应穿透势垒发射到真空中，并轰击阳极上的荧光粉层而发光。 其基本结构如图1所示，主要由平面电子源场发射阵列(阴极)、栅极和阳极荧光屏构成，再加上辅助部分如消气剂、绝缘支柱，最后真空封装构成。阴阳两极采用透明导电膜(通常是ITO)，其上涂敷荧光粉。阳极、阴极和栅极由各自的引线电极与外围的驱动电路相连。阴极和栅极互相垂直，利用栅极和阴极实现矩阵选址。每个阴极和栅极的交叉点对应于个像素点。固定阳极电压，调节栅极电压，当两种叠加电场超过材料的阈值电场时，阴极的微尖发射，该像素被点亮，否则像素点被截止不发光。 以此，FED利用平面冷电子源代替热阴极的电子源，节省庞大的电子枪空间。同时，利用X，Y交叉矩阵寻址替代电子束扫描，节省庞大的电子偏转空间，使CRT平板化。 4、 场致发射阴极材料场致发射阴极材料是场致发射显示器的核心内容。FED场发射材料研究最多的几种有: 金属场致发射材料、硅场致发射材料、金刚石薄膜和类金刚石薄膜场致发射材料、碳纳米管场致发射材料以及其他一些发射材料。（a） 金属场致发射材料自场发射现象被发现以来, 人们一直用难熔金属尖端作为阴极, 主要有W、Mo、Ta 等金属场致发射材料目前存在的2 个主要障碍是阴极发射电流密度低和工作不稳定。因此金属场致发射材料的制备工艺和后处理显得尤为重要。用复杂方法制备钼，再对Mo 尖锥加强电场而使发射电流稳定。但是制备方法复杂而且成本高。(b) 硅场致发射材料半导体硅拥有成熟的加工工艺, 因此其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构上。传统的方法是采用热氧化法来制作微尖, 但单晶硅本身的表面功函数高达4. 5eV, 而且其导电、导热性都较差, 这就必然导致硅尖锥阴极阵列场发射阈值电压较高、散热性能较差、容易吸附残留气体而受到污染, 并产生发射电流不稳定、发射电流密度较低等问题。(c) 金刚石薄膜和类金刚石薄膜场致发射材料金刚石薄膜和类金刚石薄膜有一定的负电子亲和势及低的功函数、高热导率和优异的化学稳定性。采用化学气相沉积技术可以得到多晶金刚石膜 , 为了克服晶界所导致的缺陷, 纳米金刚石膜是一种较好的场致发射材料。有人利用微细加工工艺和氧反应粒子束刻蚀技术的有机结合, 成功地制作了类金刚石薄膜的孔洞阵列, 获得了良好的场发射性能。(d) 碳纳米管场致发射材料碳纳米管具有长径比大、强度高( 为钢的100倍) 、工作电压低、发射电流大、功函数低、使用寿命长、可靠性高等特点, 而且原材料来源广泛, 制备工艺相对简单, 易于大批量生产, 国内外已有大量的关于碳纳米管FED 阴极研究的报道。但是碳纳米管薄膜的制备还处于实验阶段, 控制碳纳米管形状、方向及密度工艺还不完善, 需要开发新的实验手段, 以提高测量控制碳纳米管结构的能力, 同时需进一步了解碳纳米管的电磁特性和场发射机理。5、 技术难点及限制条件FED在结构上可分为三电极结构和二电极结构，其中二电极结构由于存在驱动电压高，阴、阳电极之间的间距过小以及需要低压荧光粉等缺点，作为显示器不够理想，而三电极结构的场发射显示器主要有Spindt（圆锥发射体型）和SED（表面传导型），其中Spindt型对光刻技术要求很高，一般要求在直径为1mm 圆面积内，制作5000个尖锥阵列，尖锥的曲率半径为50nm，难实现显示的大面积化。而表面导电型结构简单、适合做成大面积显示器。但从发射材料讲，由于发射体在发射电子过程中容易受到空间电荷轰击，或由较大外电压产生局部电弧的破坏，而使场发射衰减，因此平衡考虑稳定性、寿命、电子发射能力等方面的因素，最佳的发射体材料应该具有适当的功函数、较高的热传导系数、较高的熔点和导电系数，较高的机械强度等特性。目前主要采用难熔金属（钼、钨等）、半导体（硅、氮化硅、金刚石膜、氧化钯、富勒碳等）。但金属发射尖由于普遍存在容易吸附氧等杂质粒子，使发射尖的有效功函数增加，从而会缩短显示器的寿命。非金属材料如金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化铝、碳化硅等半导体材料具有良好的化学稳定性与热稳定性、高熔点、高热导率，特别是具有极小甚至是负的电子亲和势，降低了场发射的阈值电压。但在目前阶段，研究最多的场发射阴极还是CNT，它的场致发射特性已得到了人们的认可。6、 结束语1）FED 显示器是常见显示器中的一种最理想的显示器， 其研究的关键是寻找合适的场发射阴极材料和设计合适的阴极结构， 力求提高场致电子发射性能。碳纳米管薄膜是FED 阴极阵列中最有希望的场发射体。2）高画质、大面积、低成本将是今后FED 的发展趋势。该领域目前不很成熟, 仍处在研究开发阶段, 存在很多问题需要进一步的研究: （1） 如何提高场发射阴极的发射电流及提高发射电流的稳定性;（2） 解决发射的均匀性; （3） 降低制作成本, 形成有力的竞争。参考文献1 田民波. 电子显示M. 北京： 清华大学出版社，2001,1-226.2 袁泽明，杨玉叶，高锐敏，姚宁.现代显示技术进展J.现代显示，2008,11，（94）：18-21.3 郑利浩.平板显示技术的分析和应用趋势J. 浙江广播电视高等专科学校