专利名称：类金刚石材料场电子发射阴极及制备方法
技术领域：
本发明涉及高性能场发射电子发射阴极及制备方法，就是利用类金刚石材料团簇束流沉积实现高空间密度发射体(109-1012个/cm2)和高性能场电子发射阴极的方法，其核心是利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值电压的方法。
背景技术：
场致电子发射是在强电场的作用下材料内部电子通过受抑制的材料/真空界面势垒向空间发射的过程，这一过程在场电子发射枪和场发射平板显示上已经得到了广泛的应用。其中阴极是决定场发射器件性能的核心部件，阴极的材料组成、结构配置和外形等都直接影响了最终器件的发射表现。就材料来讲，最近的研究热点已经从传统的金属材料针尖转向具有很小的甚至是负的电子亲合势的材料。在实际装置中，这些材料被制备到紧密结合的基底上，在施加强电场后，电子从基底直接注入阴极材料的导带，由于电子亲合势很小甚至为负的原因，之后直接进入真空完成电子发射。这些材料目前主要包括金刚石、类金刚石碳薄膜、BN和AlN以及C纳米管等结构。阴极的实际发射面积和发射结构因子也是很重要的因素，目前单根C纳米管被报道具有非常高的发射结构因子(可达104以上)，但是实际工作的阴极中发射体的空间密度却并不高，结果整体发射电流提高有限。而BN、DLC等结构的实际发射因子被报道在102左右，如果在发射点的空间密度上做工作，则可能让这些阴极达到可以和C纳米管阴极比拟的整体发射性能(几个V/um场强下达到1mA/cm2的电子发射)，而且保持高热稳定性和更薄结构的优势，最终获得实际应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种高性能类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，核心是制备高空间密度的纳米电子发射针尖的以提高阴极的场发射性能。
本发明的技术解决方案类金刚石材料团簇束流沉积在基底结构上以实现高空间密度发射体(109-1012个/cm2)和高性能场电子发射阴极。类金刚石材料指类金刚石碳薄膜(DLC)、氮化硼等具有近零或负电子亲合势、高热导和良好稳定性的材料，基底材料是单晶硅、金属或其他导电基底材料。本发明制备的类金刚石材料针尖/基底结构，可用于场发射电子枪或场致发射显示器件作为电子发射阴极。
高性能类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值，在高真空室(背景真空度优于10-4pa，充气后真空降到100-1000Pa)中，利用Ar、He等气体碰撞射频磁控溅射产生的类金刚石材料蒸气产生纳米颗粒(工作发射体前驱物)，并产生定向束流将其引到衬底，改变束流强度和沉积时间来实现高空间密度发射体制备。其调节方法是调节靶室中的Ar、He气体流量(101-102sccm)和分压(1∶1～5∶1)，或控制Ar流量50sccm，调节He的流量，如～30sccm，射频输入净功率在300-400W以上，可以调节最终工作体束流的尺寸组分；调节溅射靶材到小孔的距离(＞10cm)可以调节纳米颗粒以及最终发射体的大小(达到10-200nm直径)；调节引出束流的大小(1A/min～10A/min)和沉积的时间(30min～1000min)，可以调节发射体的的尺寸和空间密度(以＞109个/cm2)。整个制备系统必须在高真空背景下运行。
本发明将以获得高发射体空间密度和高性能(低启动电压、高发射电流)的场发射阴极为目标，利用团簇束流沉积的方法，制备类金刚石材料针尖/基底结构的场发射阴极，调整束流品质和沉积参数达到更高的发射针尖密度，从而达到提高阴极性能的目的。本发明将可能在场发射电子枪、场发射平板显示和未来纳电子发射器件中获得应用。
本发明特点是通过溅射气体碰撞凝聚形成场发射阴极中的纳米工作物，并形成定向束流，直接利用调节束流沉积时间和尺寸组分的方法调节阴极上工作发射体的密度，以制备高工作发射体空间密度(109-1012个/cm2)的阴极。
四
图1高密度BN/Si阴极表面SEM照片图2该样品的场发射性能测试结果五具体实施方式
本发明主要步骤如附图1所示，现阐述如下①将所需阴极材料压制成为溅射靶材，进行Ar气氛下的射频磁控溅射，将溅射材料剥蚀形成蒸气；②在制样靶室中LN冷凝的He气，调节Ar和He的流量(例50sccmAr∶30sccmHe)，保持靶室气压在102Pa，促进蒸气内部形成阴极材料的纳米颗粒；③将纳米颗粒气体利用差分抽气方法(102Pa到10-3Pa)通过一个小孔从靶室从引出形成束流(调节沉积率大于1埃/分钟)，并将其沉积在基底上，调节沉积厚度(10-200纳米)，形成最终结构。基底采用单晶硅，采用平整的铜或银等导电材料基底亦有相同效果。
实施例图1给出了一个实际的BN工作材料/Si基底阴极结构的SEM照片，从测量中我们已经确认这些尖点就是这一结构中场发射的工作发射体，经过测量该发射体的面密度在1010个/cm2。其制备条件是Ar固定在50sccm保持150Pa的气压，He在10sccm到300sccm之间调整实现束流调节；调节溅射蒸气从产生到被抽出漂移的距离范围10-12cm。调节引出束流的大小5A/min～6A/min，沉积的时间100min。
图2给出上述结构场发射测量中的结果。从其中我们可以看出，在4V/um的场强时，该样品开始F-N模式的电子发射，在6.2V/um的电场强度下，该样品的发射电流达到1mA/cm2，这与已经报道的碳纳米管结构阴极的发射性能相当。
权利要求
1.类金刚石材料场电子发射阴极，其特征是由类金刚石材料团簇束流沉积在基底结构上构成高空间密度发射体(109个/cm2)和高性能场电子发射阴极；类金刚石材料为类金刚石碳薄膜(DLC)、氮化硼等具有近零或负电子亲合势、高热导和良好稳定性的类金刚石材料，基底材料是平整表面的单晶硅、金属或其它导电性良好的材料。
2.类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，其特征是利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值，在高真空室中，背景真空度优于10-4Pa，充气后真空降到100-1000Pa，利用Ar、He等气体碰撞射频磁控溅射产生的类金刚石材料蒸气产生纳米颗粒，并产生定向束流将其引到衬底，改变束流强度和沉积时间来实现高空间密度发射体制备；束流的调节方法是调节靶室中的Ar、He气体流量101-102sccm和分压1∶1～5∶1，射频输入净功率在300-400W以上，调节最终工作体束流的尺寸组分；调节溅射靶材到小孔的距离＞10cm调节纳米颗粒以及最终发射体的大小；调节引出束流的大小1A/min～10A/min和沉积的时间30min～1000min调节发射体的空间密度。
3.根据权利要求2所述的类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，其特征是核心特征是纳米发射体的空间面密度在109-1012个/cm2。
4.根据权利要求2所述的类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，其特征是纳米发射体阴极的尺寸和密度调节方法是调节其产生气氛中的Ar/He流量和分压比，Ar固定在50sccm保持100-200Pa的气压，He在10sccm到300sccm之间调整实现束流调节；调节溅射蒸气从产生到被抽出漂移的距离范围＞10cm。
全文摘要
类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值，在高真空室中，利用Ar、He等气体碰撞射频磁控溅射产生的类金刚石材料蒸气产生纳米颗粒，并产生定向束流将其引到衬底，改变束流强度和沉积时间来实现高空间密度发射体制备；束流的调节方法是调节靶室中的Ar、He气体流量10
文档编号H01J29/04GK101060047SQ200710021318
公开日2007年10月24日 申请日期2007年4月6日 优先权日2007年4月6日
发明者宋凤麒, 韩民, 张璐, 步海军, 周丰, 万建国, 周剑峰, 王广厚 申请人:南京大学