AlN納米錐的圖案化成長及場發射性能鉆研

　　以鉬網作為掩膜，以鍍Ni的硅片為基底，經過AlCl3和NH3的反響，在700℃時兌現AlN納米錐的圖案化成長。圖案化成長使AlN納米錐的屏蔽效應升高，場發射性質有顯然改善。與未圖案化的樣品相比，圖案化AlN納米錐的開啟電壓和閾值電壓顯著升高，場發射直流電密度顯著普及。這種圖案化成長技能無望拓展到其它納米冷負極資料體系，優化其場發射性能。1、小引
　　 冷負極場發射資料在軍事及公民生涯中都有寬泛的潛在利用價格，近年來有關鉆研重要集中于冷負極場發射資料在場發射呆滯預示器中的利用。冷負極場發射資料的停滯閱歷了三個朝代。第一代為20世紀60年歲前期涌現的以Spindt錐型資料（鉬和硅的尖錐）為代辦的冷負極場發射資料，旋片式真空泵在錐狀資料上強加電壓后，其尖端會產生很強的磁場，輕易誘火力發電子發射。因為鉬和硅存在大的名義功函，且Spindt型鉬/硅錐的分解線路簡單且造價低廉，使該署資料很難付諸理論利用。隨后，因為存在低（乃至負）的電子親和勢、高的化學穩固性和熱傳播性，金剛石/類金剛石地膜資料變成第二代冷負極場發射資料。然而因為地膜的勻稱度難以掌握，且電子發射位置錯雜無章，使其周折于后續器件的組裝，也逐步淡出人們的視線。近年來以碳納米管為代辦的一維納米資料的場發射性能鉆研導致了迷信家的寬泛趣味，一維納米資料存在大的長徑比和納米級尖端，能夠無效普及資料的場加強因子，改善場發射性能。在取舍適合的資料體系時，低的名義功函或電子親和勢、高穩固性及優異熱傳播性是不足道的參考指標。
　　 AlN存在低（乃至負）的電子親和勢、高的穩固性及優質的熱導性能，其一維納米資料可望變成一種有后勁的納米冷負極資料。近年來各族形貌的AlN一維納米資料，囊括納米管、納米線、納米帶、納米錐等，已被相繼分解。在該署納米資料中，AlN納米錐陣列存在銳利的尖端，大的長徑比及較好的定向性，也體現出較好的場發射性能。為了進一步優化AlN納米錐的場發射性能，有兩種路徑不值試行:一種是經過摻雜其它元素（比如：硅）以普及載流子深淺；另一種是經過升高納米錐的密度以升高屏蔽效應。Nilsson等人經過試驗和實踐的劃算得出：場發射頭的密度增多時，屏蔽效應加強，場加強因子及發射直流電升高，當兩個一維納米發射頭之間的間隔是其高低的2倍時，單位面積的場發射直流電最大。因而，AlN納米錐的密度對其場發射性能有不足道的莫須有。正如真空技能網的其它篇章中簡報，當AlN納米錐的密度較大時，因為屏蔽效應，場加強因子及發射直流電會升高。
　　 圖案化成長是一種很好的掌握納米構造密度的步驟，重要有兩種路徑:一種是經過電子束刻蝕、紫外普照耀等技能取舍性地潤飾基底的親疏水性，構建圖案化的基底；另一種步驟是經過構建圖案化的催化劑進而莫須有納米構造的圖案化成長，因為AlN納米錐的成長不需借助催化劑，且對基底資料沒有務求，因而上述路徑無奈誘導AlN納米錐的圖案化成長。白文經過引入鉬網作為掩膜兌現了AlN納米錐的圖案化成長。與未圖案化的出品相比，圖案化的AlN納米錐存在更好的場發射性質，無利于其在場發射呆滯預示器中的利用。2、試驗全體
　　 AlN納米錐的圖案化成長是經過引入鉬網作為掩膜以AlCl3和NH3在700℃下反響兌現的（如圖1A所示）。將鉬網緊緊黏附的硅片擱置于管式爐的核心，當沉積區熱度升至700℃時，三氯化鋁在氬氣氣旋的牽動下到反響海域，并與阿摩尼亞反響，AlN納米錐在鉬網的距離沉積，而被鉬網遮蓋的中央則沒有AlN的沉積。反響延續4個時辰，在氬氣氣旋的掩護下結冰至室溫，反響終了后，將鉬網除去失去圖案化的AlN納米錐。白文中試行了兩種相反尺寸的鉬網作為掩膜。同聲在相反條件下制備了未圖案化的AlN納米錐作為比擬。
　　 樣品經過X射線衍射儀（XRD;PhilipsX’pertProX-raydiffractometer）及掃描電鏡(SEM;HitachiS-4800)繼續表征。場發射性質的測量在1×10-4Pa的真空腔中繼續。3、后果與探討
　　 兩種相反尺寸的圖案化AlN納米錐SEM照片如圖1B-F所示。關于圖案化樣品I，沉積區的尺寸為185μm，兩相鄰沉積區的間隔為35μm，與所用鉬網的尺寸相統一。在沉積區單元的AlN納米錐呈準定向分（圖1D）布，而被鉬網遮蓋的中央則沒有AlN的沉積（圖1E）。關于圖案化樣品II，沉積單元的尺寸為100μm，而兩相鄰沉積區的間隔較大，為60μm（圖1F）。圖案化樣品比擬均一，無利于其在呆滯預示器上圖案化像素的利用。未圖案化的AlN納米錐的SEM照片如圖2所示，納米錐呈準定向排列，且尺寸均一，與圖案化樣品類似，注明有無鉬網關于AlN納米錐的形貌沒有莫須有。
圖1.（A）圖案化成長內中示用意；（B）圖案化樣品I的SEM照片；（C）圖B中白色方框中放大的SEM照片；（D）圖案化樣品I沉積單元的SEM照片；（E）圖案化樣品I被鉬網遮蓋海域的SEM照片；（F）圖案化樣品II的SEM照片。
　　 與未圖案化的AlN納米錐相比，圖案化AlN納米錐存在更大的邊緣海域。因為邊緣海域的屏蔽效應較低，圖案化AlN納米錐無須會存在較好的場發射性質。圖3給出了圖案化樣品及未圖案化樣品的場發射曲線。樣品的開啟電壓（Eto,產生10μA/cm2直流電所須要的磁場）和閾值電壓（Ethr,產生1mA/cm2直流電所須要的磁場）如表1所示。后果表明，圖案化AlN納米錐樣品的開啟電壓及閾值電壓有顯著升高；與圖案化樣品I相比，圖案化樣品II存在更小的開啟電壓和閾值磁場。圖案化AlN納米錐存在較大的邊緣海域，且樣品II存在絕對更大的邊緣海域面積；因為該署邊緣海域的AlN納米錐的密度減小，使得屏蔽效應升高，從而招致了其場發射性能的加強。只管圖案化AlN納米錐的閾值電壓高于碳納米管，然而能夠和氧化鋅及硼納米線相比較。后果表明，圖案化成長是一種無效且反復性較好的普及AlN納米錐場發射性質的步驟。
圖3.（A）圖案化樣品I、II及未圖案化AlN納米錐陣列的直流電密度～磁場曲線（J-E曲線）；（B）與J-E曲線絕對應的Fowler-Nordheim曲線，即ln(J/E2)-1/E曲線。
表1.圖案化及未圖案化樣品的Eto,Ethr及β值
　　 F-N曲線如圖3B所示。依據F-N實踐，F-N曲線的斜率等于-6830φ3/2/β，其中φ為功函，β為場加強因子。AlN的功函以3.7eV劃算[6]，未圖案化AlN納米錐的場加強因子為430。
　　 因為屏蔽效應的升高，兩個圖案化樣品的場加強因子有了顯然的普及（表一）。關于圖案化樣品I，其F-N曲線分為兩段，在高場和低場的場加強因子別離為950和600，這可能是因為空間荷電效應導致的。從圖3A可看出，在高場全體，圖案化樣品I的直流電至多是未圖案化樣品的5倍。高的直流電密度會經過水解殘余的氣體分子產生空間電荷，在磁場作用下，陽離子挪動到AlN發射頭的尖端，使得發射頭的電壓增多，因而在高磁場時存在較大的場加強因子。而圖案化樣品II在低磁場時就存在大的直流電密度，荷電效應在整個磁場下都存在，因而其F-N曲線呈線性，場加強因子為1561。4、論斷
　　 白文經過引入鉬網作為掩膜停滯了一條容易的制備圖案化AlN納米錐的步驟。圖案化AlN納米錐存在均一的形貌及準定向的排列。因為增多了邊緣海域，圖案化成長無效升高了屏蔽效應，使圖案化AlN納米錐的開啟和閾值電壓有了顯然的升高。后果表明圖案化成長是一種無效普及AlN納米錐場發射性質的步驟，也無望進一步利用于優化其它納米冷負極資料的場發射性能。

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