平柵型氧化錫表面傳導電子發(fā)射源的制備及場(chǎng)發(fā)射性能研究
利用磁控濺射、光刻和剝離技術(shù)在玻璃基底上成功制備了平柵型氧化錫表面傳導電子發(fā)射源，并測試其場(chǎng)發(fā)射性能。掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡測試表明，沉積在陰極和柵極之間的氧化錫為不連續薄膜，直徑大約在100~200nm。場(chǎng)發(fā)射測試表明，電子發(fā)射源的傳導電流和發(fā)射電流完全被柵壓控制。在陽(yáng)壓和柵壓分別為3200V和210V時(shí)，陰陽(yáng)間距為500Lm時(shí)，平柵型氧化錫表面傳導電子發(fā)射源的電子發(fā)射效率為0.85%，發(fā)光亮度為850cd/m2，表明氧化錫薄膜在表面傳導電子發(fā)射源方面有著(zhù)較好的應用潛力。
氧化錫(SnO2)是一種禁帶寬度為3.6eV(300K)的n型半導體氧化物，在可見(jiàn)光區域內，由于具有低的電阻率、高的透過(guò)率、穩定的熱學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應用于透明電極、液晶顯示器、場(chǎng)發(fā)射、太陽(yáng)能電池和傳感器等方面。此外，氧化錫薄膜在高場(chǎng)強下，表現出強烈的能帶彎曲和較低的電子親和能，在場(chǎng)致發(fā)射(FieldEmission)中作為陰極材料成為了研究的熱點(diǎn)。表面傳導場(chǎng)致發(fā)射(Surface-conducted Field Emission，SCFE)是一種新型的三極式場(chǎng)發(fā)射結構，其工作原理是在兩個(gè)電極之間施加電壓，電子從一個(gè)孤島發(fā)射到下一個(gè)孤島，電子在薄膜顆粒之間發(fā)生隧穿效應，孤島之間傳導的電子有一部分在陽(yáng)極電壓的牽引下到達陽(yáng)極，形成發(fā)射電流，實(shí)現了表面傳導發(fā)射。然而，傳統薄膜型表面傳導電子發(fā)射是在電極圖形的間隙內噴涂PdO納米顆粒，PdO納米顆粒在真空中經(jīng)過(guò)電加熱還原，之后在碳源氣氛中對電極通電，形成一層碳膜，傳導源制作工藝復雜，成本高，且電子發(fā)射效率低。低的電子發(fā)射效率和高的制作成本限制了這種表面傳導電子發(fā)射的應用。
本文采用成熟的磁控濺射、光刻和剝離技術(shù)制備一種平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡表征平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源陣列和傳導源的微觀(guān)結構，并研究其場(chǎng)發(fā)射性能。
1、實(shí)驗
1.1、SnO2-SCFE電子發(fā)射源的制備
利用傳統的磁控濺射、光刻和剝離技術(shù)在10cm×10cm的玻璃基片上制備平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源，實(shí)驗工藝流程如圖1所示。利用直流磁控濺射在玻璃基底表面濺射100nm的金屬Cr/Cu/Cr復合薄膜，采用光刻技術(shù)制備陰極和柵極電極，并對樣品表面進(jìn)行清潔預處理，以備鍍膜使用。本實(shí)驗所用WTCJ-600磁控反應濺射鍍膜機，以純度為99.99%的Sn金屬靶做靶材，襯底溫度固定在室溫，陰極與襯底的距離為5cm，在真空度為1.5×10-3 Pa，通入氧氣(99.99%)與氬氣(99199%)混合氣體，流量比為1B1，混合氣體使得濺射壓強維持在1Pa，濺射功率150W，濺射時(shí)間為5min。采用剝離法來(lái)去除電極上氧化錫薄膜并對樣品表面進(jìn)行清潔預處理，將制作完成的實(shí)驗片放進(jìn)60e的潔凈烘箱里烘干30min便得到最終成品。實(shí)驗采用石家莊恒威電源科技公司生產(chǎn)的SMC-1/30/SJF型脈沖電源，在陰極和柵極電極間施加脈沖電壓，陰柵電極間的SnO2不連續薄膜顆粒便會(huì )形成納米量級的裂縫。
圖1 平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源的制備流程圖
3、結論
采用磁控濺射、光刻和剝離技術(shù)在玻璃基底上成功制備了一種以SnO2薄膜為表面傳導源、陰極和柵極相互平行的電子發(fā)射源，并研究其場(chǎng)發(fā)射性能。SEM測試表明，在氧氣和氬氣流量比為1B1，室溫下濺射5min后，經(jīng)峰峰值為40V，頻率為1000Hz的脈沖電壓預處理后的SnO2為不連續薄膜，直徑大約在100~200nm。場(chǎng)發(fā)射測試表明，電子發(fā)射源的傳導電流和發(fā)射電流完全被柵壓控制。在陽(yáng)壓和柵壓分別為3200和210V時(shí)，陰陽(yáng)間距為500Lm時(shí)，平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源的電子發(fā)射效率為0.85%，發(fā)光亮度為850cd/m2�？傊�，平柵型SnO2表面傳導電子發(fā)射源的制備工藝簡(jiǎn)單，性能穩定，為尋求一種新型的場(chǎng)發(fā)射陰極陣列提供一種新的選擇。
