表面傳導電子發射材料與新型電子源結構研究

《表面傳導電子發射材料與新型電子源結構研究》是依託西安交通大學，由吳勝利擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：表面傳導電子發射材料與新型電子源結構研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳勝利
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

表面傳導電子發射源在演播室高端顯示、積體電路無掩模製作、平板探測成像以及真空電子器件中具有潛在的套用前景，導電薄膜材料、納米裂縫可控制作以及高效率電子發射是表面傳導電子發射源研究的關鍵所在。本研究採用反應共磁控濺射法製備氮、矽和金屬的複合物薄膜作為導電薄膜，通過薄膜微觀分析並結合電子發射實驗，確定電子發射薄膜材料組成和製備工藝；通過設計特殊形狀的導電薄膜，最佳化納米裂縫的電形成工藝參數，探索納米裂縫的可控制作；通過採用將納米裂縫製備在突起部位和引入二次電子發射薄膜的新型表面傳導電子源結構，探索提高表面傳導電子發射效率。研究涉及薄膜材料製備與分析、真空電子學及微電子器件製造等多個學科門類，通過研究有望獲得穩定、高效率表面傳導電子發射源導電薄膜材料組成和新型電子源結構，揭示納米裂縫形成機理並得到納米裂縫的可控制作技術，為平面電子源陣列的套用提供技術支持和理論指導，研究工作具有重要的科學意義。

結題摘要

表面傳導電子發射源在平板顯示器件、真空微電子器件等領域具有潛在的套用，導電薄膜材料、納米裂縫的可控制作以及高效率電子發射是表面傳導電子發射源研究的關鍵所在。本項目圍繞上述關鍵問題，通過實驗及數值模擬對表面傳導電子發射源進行系統深入的研究。研究了W-Mo-Si、N-Si-W和Nb-Si-N三元複合薄膜的磁控濺射製備，實驗研究了以上述薄膜作為導電薄膜的電子源的電子發射特性，獲得了導電薄膜製備的最佳化參數，通過控制不同元素的組分獲得了較好的電子發射性能。提出了具有特殊導電薄膜以及設定突起介質的新型表面傳導電子發射源結構，結合電形成工藝參數的控制，實現了導電薄膜上製備穩定、均勻的納米裂縫，改進了電子源電子發射的均勻性和電子發射能力；通過數值熱分析對電形成過程中的焦耳熱分布進行了數值模擬計算，在闡明電形成機理的同時，為電子源導電薄膜的結構設計提供了有益的參考。基於所提出的內凹導電薄膜結構及中間突起結構表面傳導電子發射源，實驗獲得高效率的電子發射，尤其是中間突起結構電子源的發射效率達到7.79‰；結合納米裂縫的微觀結構分析，發現中間突起結構電子源實現高效率電子發射主要是由於所形成的納米裂縫具有“立體”構造，使隧穿電子更容易被陽極基板所收集；數值模擬獲得了電子源納米裂縫附近的電場分布和電子運動軌跡，很好地解釋了納米裂縫的非共面結構有利於提高場致發射電子被陽極收集的機率。提出了具有三角柱介質結構的表面傳到電子發射源，對其進行了系統的數值模擬分析，獲得了器件結構的優選參數；結果表明該電子源的三角介質頂角選取80°左右可在更寬陽極電壓範圍內保證電子源維持較高的電子發射效率，且電子束聚焦特性較好。項目研究結果對推動表面傳導電子發射源的套用具有重要的理論意義和實用價值。項目研究期間發表SCI收錄12篇，獲授權發明專利3項，培養博士生3名、碩士生8名。