操縱UV暴光技術研制單根定向碳納米管陣列冷負極

操縱UV暴光技術研制單根定向碳納米管陣列冷負極
　　 顛末普通的紫外(UV)光刻工藝,結合“變傾斜角縮口”新技術,研制了相反發射單元尺寸的碳納米管(CNTs)陣列負極。掃瞄電鏡綜合標明,跟著縮口尺寸的按序減小(從0.6μm到0.4μm,最后到0.2μm),發射單元內CNTs的根數也一向減少。當孔徑縮至0.2μm時,發射單元僅由1根～3根CNTs構成,何況大全部單元頂端均有單根CNT伸出,使得全部發射體附近于單根CNT。場發射特色測試效果標明,0.2μm發射單元尺寸的陣列負極,開啟磁場約2V·μm-1;就地強為20V·μm-1時,該陣列的直流電密度告竣0.35A·cm-2,比1μm尺寸的陣列負極提高了近4倍,比連續生長的地膜CNTs負極則高1～2個單元級。
　　 碳納米管(CNTs)是一種優良的場發射體材料。其安定的物理和化學性子和本身的高縱橫比,使其可以或許失掉更安定、更大的發射直流電,有望變成真空微電子器件中很有潛力的負極電子源。但是,在基片上生長的定向連續的CNTs,管之間的間距很小,存在嚴重的磁場屏障效應,使得CNTs發射體尖端的場強大大減弱,因此負極的發射直流電密度很低。操縱光刻技術,將連續生長的CNTs圖形化是提高發射直流電密度的一種方式。咱們曾操縱UV光刻技術打造了單元直徑為1μm的CNTs陣列負極,提高了負極的發射直流電密度。但是,圖形化陣列的每一個發射單元中仍有很多CNTs,它們之間的屏障效應依然存在,因此發射直流電密度仍限制在幾多十毫安每平方厘米。
　　 為了最大限制地避免磁場屏障感化,務必打造單根的、千里迢迢漫衍的定向CNTs陣列負極。劍橋大學的Milne等采取電子束光刻技術,顛末把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,取得0.7A·cm-2的直流電密度。并將該負極操縱在微波真空三極管中,測得功課直流電密度告竣1A·cm-2,調制效力為1.5GHz,預期的功課效力可告竣30GHz～100GHz。明顯,這類大直流電密度的二極式單根定向CNTs陣列負極,在更高效力的微波電真空器件中存在潛伏的操縱代價。
　　 根據面前國表里的簡報,電子束暴光是絕無唯一一種打造單根定向CNTs陣列的途徑。但是,電子束暴光技術必要公用的舉措措施,不只代價昂貴,并且功課效力較低,普通僅范圍在個體的實驗室應用。與此相比,面前國表里大范圍應用的光刻技術,用普通的紫外暴光。這類技術成熟、工藝輕易、利潤低,何況可以或許批量出產。因此,那么能用UV光刻技術打造單根CNTs陣列負極,將為兌現單根CNTs負極的實際操縱奠基根抵。
　　 咱們已簡報過,操縱UV光刻技術打造發射單元直徑為1μm的圖形化CNTs陣列負極。由于UV技術的滿分辯率是0.7μm,因此1μm尺寸的CNTs發射單元曾告竣該技術的極限尺寸。而生長單根CNT務求催化劑的面積小于200nm,因此僅用UV技術無法兌現單根CNT的生長。為此,白文提出了一種新技術———“變傾斜角縮口”技術,該技術可進一步減少孔徑,打造了發射單元尺寸分別為0.6μm、0.4μm和0.2μm的負極,此中0.2μm尺寸的負極發射體已接近單根CNT。
1、實驗步驟
1.1、單根CNTs陣列負極的設想
　　 限制二極式定向CNTs陣列負極直流電密度的主要成份是CNT之間的磁場屏障效應。凡是生長的CNTs之間的間距都相比接近,每根CNT頂端的磁場強度由于周圍CNT的屏障感化而大大減弱,使負極的發射直流電密度降低。因此,在單根CNT陣列負極的打造之前,務必對陣列的機關尺寸持續合法地設想。
　　 圖1是二極式單根CNT陣列負極的機關模型示意圖。它由負極組件和一個板滯陽極構成,負極組件則包括n2Si(100)襯底、氮化鈦緩沖層和矗立的單根CNT陣列。CNT之間的直徑為D,間距為d,高為h,襯底與陽極之間的距離為L。
　　 設CNT的高h=3μm和直徑D=50nm(CNT的高和直徑是根據制備CNT的詳細實驗數據肯定的),陽極與襯底的距離L=10μm,僅改變CNT之間的間距d,仿照劃算屏障效應答負極場發射特色的莫須有,落空CNT頂端的磁場強度E和間距d的干系曲線如圖2所示。
圖1　二極式單根CNT陣列負極的機關模型示意圖　　圖2　h=3μm,d相反聲,磁場強度變化曲線
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3、結論
　　 操縱普通UV暴光工藝,打造出相反單元尺寸的CNTs陣列負極。掃描電鏡綜合標明,陣列存在較好的同一性,發射單元均呈圓扇形;跟著縮口尺寸的減小,發射單元內CNTs的根數減少。當縮口至0.2μm時,陣列中的發射單元由1根～3根CNTs構成,頂端均有單根CNT伸出,使得發射體接近于單根CNT。場發射特色測試標明,0.2μm單元尺寸的CNTs負極,發射直流電密度比未縮口前的1μm單元尺寸的負極提高了近4倍,比基片上連續生長的CNT負極提高1～2個單元級。
　　 白文研究的一種“變傾斜角縮口”技術降服了打造這類單根CNT陣列負極的關頭難點。。它可有效克服殉國層縮口中出現的“瓶頸氣象”,使縮口告竣200nm或更小,為打造單根CNTs陣列負極奠基了根抵。下一步功課必要進一步優化工藝參數,提高CNT的矗立定向性,繼續改良陣列的同一性,打造發射特色更好的單根定向CNTs陣列負極。