利用UV暴光技能研制單根定向碳納米管陣列冷負極
經過一般的紫外(UV)光刻工藝,聯合“變傾斜角縮口”新技能,研制了相反發射單元尺寸的碳納米管(CNTs)陣列負極。掃瞄電鏡綜合表明,隨著縮口尺寸的順次減小(從0.6μm到0.4μm,最初到0.2μm),發射單元內CNTs的根數也一直縮小。當孔徑縮至0.2μm時,發射單元僅由1根～3根CNTs組成,況且大全體單元頂端均有單根CNT伸出,使得整個發射體相近于單根CNT。場發射特點測試后果表明,0.2μm發射單元尺寸的陣列負極,開啟磁場約2V·μm-1;當場強為20V·μm-1時,該陣列的直流電密度達成0.35A·cm-2,比1μm尺寸的陣列負極普及了近4倍,比陸續成長的地膜CNTs負極則高1～2個單位級。
碳納米管(CNTs)是一種優異的場發射體資料。其穩固的物理和化學性質和自身的高縱橫比,使其能夠失掉更穩固、更大的發射直流電,無望變成真空微電子器件中很有后勁的負極電子源。然而,在基片上成長的定向陸續的CNTs,管之間的間距很小,存在重大的磁場屏蔽效應,使得CNTs發射體尖端的場壯大大削弱,因而負極的發射直流電密度很低。利用光刻技能,將陸續成長的CNTs圖形化是普及發射直流電密度的一種方法。咱們曾經利用UV光刻技能打造了單元直徑為1μm的CNTs陣列負極,普及了負極的發射直流電密度。然而,圖形化陣列的每個發射單元中仍有許多CNTs,它們之間的屏蔽效應仍然存在,因而發射直流電密度仍制約在多少十毫安每平方厘米。
為了最大限度地防止磁場屏蔽作用,務必打造單根的、天各一方散布的定向CNTs陣列負極。劍橋大學的Milne等采納電子束光刻技能,經過掌握催化劑顆粒的尺寸在100nm～200nm,打造出600μm×600μm的單根定向CNTs陣列負極。在磁場為21V·μm-1時,獲得0.7A·cm-2的直流電密度。并將該負極利用在微波真空三極管中,測得作業直流電密度達成1A·cm-2,調制效率為1.5GHz,預期的作業效率可達成30GHz～100GHz。顯然,這種大直流電密度的二極式單根定向CNTs陣列負極,在更高效率的微波電真空器件中存在潛在的利用價格。
依據眼前海內外的簡報,電子束暴光是絕無僅有一種打造單根定向CNTs陣列的路徑。然而,電子束暴光技能須要專用的設施,不僅價錢低廉,而且作業效率較低,正常僅局限在個別的試驗室運用。與此相比,眼前海內外大規模運用的光刻技能,用一般的紫外暴光。這種技能成熟、工藝容易、利潤低,況且能夠批量生產。因而,那末能用UV光刻技能打造單根CNTs陣列負極,將為兌現單根CNTs負極的理論利用奠定根底。
咱們已經簡報過,利用UV光刻技能打造發射單元直徑為1μm的圖形化CNTs陣列負極。因為UV技能的滿分辨率是0.7μm,因而1μm尺寸的CNTs發射單元曾經達成該技能的極限尺寸。而成長單根CNT務求催化劑的面積小于200nm,因而僅用UV技能無奈兌現單根CNT的成長。為此,白文提出了一種新技能———“變傾斜角縮口”技能,該技能可進一步放大孔徑,打造了發射單元尺寸別離為0.6μm、0.4μm和0.2μm的負極,其中0.2μm尺寸的負極發射體已瀕臨單根CNT。
1、試驗步驟
1.1、單根CNTs陣列負極的設計
制約二極式定向CNTs陣列負極直流電密度的重要成分是CNT之間的磁場屏蔽效應。通常成長的CNTs之間的間距都比擬瀕臨,每根CNT頂端的磁場強度因為四周CNT的屏蔽作用而大大削弱,使負極的發射直流電密度升高。因而,在單根CNT陣列負極的打造之前,務必對陣列的構造尺寸繼續正當地設計。
圖1是二極式單根CNT陣列負極的構造模子示用意。它由負極組件和一個呆滯陽極組成,負極組件則囊括n2Si(100)襯底、氮化鈦緩沖層和挺立的單根CNT陣列。CNT之間的直徑為D,間距為d,高為h,襯底與陽極之間的間隔為L。
設CNT的高h=3μm和直徑D=50nm(CNT的高和直徑是依據制備CNT的具體試驗數據確定的),陽極與襯底的間隔L=10μm,僅改觀CNT之間的間距d,模仿劃算屏蔽效應答負極場發射特點的莫須有,失去CNT頂端的磁場強度E和間距d的關系曲線如圖2所示。
圖1 二極式單根CNT陣列負極的構造模子示用意 圖2 h=3μm,d相反聲,磁場強度變遷曲線
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3、論斷
利用一般UV暴光工藝,打造出相反單元尺寸的CNTs陣列負極。掃描電鏡綜合表明,陣列存在較好的統一性,發射單元均呈圓扇形;隨著縮口尺寸的減小,發射單元內CNTs的根數縮小。當縮口至0.2μm時,陣列中的發射單元由1根～3根CNTs組成,頂端均有單根CNT伸出,使得發射體瀕臨于單根CNT。場發射特點測試表明,0.2μm單元尺寸的CNTs負極,發射直流電密度比未縮口前的1μm單元尺寸的負極普及了近4倍,比基片上陸續成長的CNT負極普及1～2個單位級。
白文鉆研的一種“變傾斜角縮口”技能克服了打造這種單根CNT陣列負極的要害難點。。它可無效戰勝就義層縮口中涌現的“瓶頸景象”,使縮口達成200nm或更小,為打造單根CNTs陣列負極奠定了根底。下一步作業須要進一步優化工藝參數,普及CNT的挺立定向性,接續改善陣列的統一性,打造發射特點更好的單根定向CNTs陣列負極。
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