碳納米管薄膜的制備及其場(chǎng)發(fā)射性能研究.pdf

1、碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電、熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性，在真空微電子器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。利用碳納米管薄膜作為場(chǎng)發(fā)射冷陰極的應(yīng)用研究已成為場(chǎng)發(fā)射研究的熱點(diǎn)。目前，還存在許多問(wèn)題亟待解決，其中包括碳納米管低溫、大面積、低成本、可控的制備技術(shù)，場(chǎng)發(fā)射的均勻性和穩(wěn)定性，以及在器件應(yīng)用過(guò)程中的工藝兼容性等。上述問(wèn)題的解決，將加快碳納米管場(chǎng)發(fā)射器件的產(chǎn)業(yè)化速度，提高器件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 本論文采用一種低溫、大面積、低成本的低壓化學(xué)氣相沉

2、積(LPCVD)技術(shù)制備碳納米管薄膜，通過(guò)二元合金催化劑控制場(chǎng)發(fā)射性能，研究了老化、退火和陣列化對(duì)碳納米管薄膜在真空微電子器件中應(yīng)用時(shí)的影響，并探索了碳納米管薄膜在場(chǎng)發(fā)射壓力傳感器中應(yīng)用的可能性。 1) L2CVD法制備碳納米管薄膜的工藝優(yōu)化系統(tǒng)地研究了 LPCVD 法的各項(xiàng)工藝條件，如制備溫度、C<,2>H<,2>/H<,2>流量比、壓強(qiáng)、中間層等因素對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響。采用 LPCVD 法可以在較低的溫度下(500℃-70

3、0℃)制備碳納米管，滿足多數(shù)應(yīng)用的要求。溫度對(duì)碳納米管生長(zhǎng)具有重要影響。當(dāng)溫度從500℃升高到650℃時(shí)，碳納米管的生長(zhǎng)速率隨著溫度升高而增大，而溫度繼續(xù)上升，速率則明顯減小。隨著溫度上升，碳納米管的管徑增大，長(zhǎng)度增加，晶化程度提高。此外，C<,2>H<,2>和H<,2>流量比、壓強(qiáng)和中間層等都對(duì)碳納米管生長(zhǎng)有一定影響。通過(guò)這些工藝參數(shù)的調(diào)整，可以在一定程度上控制碳納米管的生長(zhǎng)和場(chǎng)發(fā)射性能。 2) 二元合金催化劑可控制備用于場(chǎng)發(fā)

4、射的碳納米管薄膜利用不含催化作用的金屬Ti/Cr和Ni形成二元合金催化劑，通過(guò)調(diào)節(jié)合金中Ni的含量控制碳納米管發(fā)射體的密度，從而優(yōu)化碳納米管薄膜的場(chǎng)發(fā)射性能。該法簡(jiǎn)便易行，與半導(dǎo)體工藝相融合，而且工藝緯度較寬，適合工業(yè)化生產(chǎn)。特別是，當(dāng)Ni/Ti比例為76 at．％時(shí)，制備出一種具有“小山包”表面結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜，具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性，達(dá)到10μA/cm<'2>的開(kāi)啟電場(chǎng)為1.29 V/μm，在2.4 V/μm電場(chǎng)下發(fā)射的電流密度達(dá)6

5、.88 mA/cm<'2>。這是由碳納米管本身的場(chǎng)發(fā)射特性受到薄膜表面“小山包”的電場(chǎng)增強(qiáng)作用引起的。 3)老化和退火對(duì)碳納米管場(chǎng)發(fā)射的影響老化使碳納米管薄膜的場(chǎng)發(fā)射趨于穩(wěn)定和均勻。少數(shù)率先發(fā)射電子的長(zhǎng)碳納米管在電流的焦耳熱作用下發(fā)生斷裂或蒸發(fā)，使較多的次長(zhǎng)的碳納米管成為發(fā)射體。此時(shí)，流經(jīng)每個(gè)發(fā)射體的電流減小，對(duì)碳納米管的加熱作用較小，因此發(fā)射比較均勻，也比較穩(wěn)定。 經(jīng)400℃退火后，碳納米管薄膜的非晶成分減少，場(chǎng)發(fā)射性

6、能略有提高。450℃退火極大地破壞了碳納米管的管壁，造成場(chǎng)發(fā)射性能明顯下降。該結(jié)果對(duì)碳納米管薄膜在場(chǎng)發(fā)射器件中的應(yīng)用具有重要意義，當(dāng)器件的封裝溫度低于400℃時(shí)，可以直接在空氣中進(jìn)行，從而降低制作成本。當(dāng)器件的封裝溫度高于400℃時(shí)，則需要在N2或Ar的保護(hù)下進(jìn)行。 4)碳納米管場(chǎng)發(fā)射壓力傳感器的研制對(duì)碳納米管薄膜作為陰極的場(chǎng)發(fā)射壓力傳感器進(jìn)行了初步研究工作，首次提出并成功研制出采用碳納米管做場(chǎng)發(fā)射陰極的真空微電子壓力傳感器，量