基于二氧化硅纳米结构阵列型电子源的制备及电子发射特性研究

Development of a novel electron source with high emission efficiency,uniformity and stability is a hot issue in the research of field emission display since the electron source is a key component for the field emission display device and most of the current electron sources are lower in emission efficiency, uniformity and stability. Desirable features of electron emission devices are high emission current density, low operation voltage, small emission angle and energy dispersion, and high stability. In addition, the simple and easy fabrication process is also important for the device to be used in various applications.In this project,a novel electron source based on nanostructured silicon dioxide array is proposed, which could directly excite the gas without discharge,therefore, it can improve the luminous efficacy of the light source.The proposed electron source is high in emission efficiency and stability and could be fabricated in a simple process.The emission characterstics and the gas directly excited by the electron source are studied,the relationships between the emission efficiency and the fabrication parameters, structure of the device, the dimensions of nanostructured silicon dioxide are investigated, the mechanisms of electron emission from cold cathode and the gas excited by the proposed electron source are demonstrated in theory and experiment.The results of this project will have significant effects on research of flat panel display device,image sensor and light source such as vacuum ultraviolet and mercury-free flat lamp.

电子源是场发射显示器的核心部件，开发制备工艺简单、高发射效率、高稳定性及均匀性的新型电子源是当前光电子显示器件的研究热点。针对当前大多数电子源存在着发射效率低、均匀性和稳定性差以及对真空度要求高等问题，本项目以开发一种可直接激发气体发光的新型电子源为切入点，提出一种制备工艺简单、高发射效率及稳定性的基于二氧化硅纳米结构的新型阵列型电子源，并对其电子发射特性、电子传输机制及电子激发气体发光的机理进行研究；通过研究电子能量分布及电子激发气体的频谱分布，揭示工艺参数、器件结构、二氧化硅纳米颗粒尺寸等参数对电子发射特性的影响规律，阐明电子源的发射机制及电子激发气体发光的机理，获得电子能量分布与气体激发能量的对应关系；结合理论分析与实验验证，探索新型电子源的关键制备工艺并优化器件结构。本研究对提高电子源的发射效率，促进其在光电子显示、传感器、真空紫外光源等领域的应用具有非常重要的研究意义和实用价值。

本项目以开发一种可直接激发气体发光的新型电子源为切入点，针对当前大多数电子源存在着发射效率低、均匀性和稳定性差以及对真空度要求高等问题，提出了一种基于二氧化硅纳米结构的高发射效率及稳定性的新型电子源，并对其电子发射特性、电子传输机制、电子激发气体发光的机理及光电特性进行研究。项目以硅基多孔氧化铝为模板采用湿法定向刻蚀和等离子体化学气相沉积两种方法制备了硅基Si纳米结构，经氧化后形成二氧化硅纳米结构，在此基础上制备了以二氧化硅纳米结构为绝缘层的金属-绝缘层-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)型电子源。研究了制备方法、氧化方法及速率对电子发射性能的影响；提出了一种新型的快速热氧化方法；研究了电子发射机理及驱动方法；研究了不同气压下，电子激发Xe的光电特性及电子发射特性；提出了一种以多孔氧化铝为介质层的新型电子源结构以及采用电化学方法制备了可应用于该新型电子源的MgZnO纳米复合材料。. 实验结果表明：采用等离子体化学气相沉积法制备的电子源发射效率为0.75%，远高于湿法刻蚀制备电子源的0.01%，而且在2小时内可以维持稳定的发射；采用本项目提出的快速热氧化法方法，相同器件电压下，发射电流提高了10倍，发射效率提高了30倍；经过优化后，在器件电压为11V时可以获得最高为4.58%的电子发射效率，在高于11V时，器件的平均电子发射效率约为3%；采用经典的场发射Fowler-Nordheim判据，结合能带理论，证明了发射电流是由隧道效应引起的场发射产生的；采用双极性脉冲驱动，在大气压下，可以获得高的发射电流及发射稳定性；采用电子直接激发Xe，在低气压100Pa下，辐射波长为147nm，在高气压10kPa下，辐射波长为150nm和172nm；采用多孔氧化铝为绝缘层的新型MIM电子源发射效率可超过5%，在500Pa下，以共振辐射为主，辐射波长为147nm；采用电化学沉积法制备了MgZnO纳米片、纳米棒、纳米管以及絮状结构。