模擬研究常閉和常開(kāi)工作模式下的平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源

　　采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比性地研究了常閉和常開(kāi)工作模式下平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源。靜電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示:常閉工作模式下該電子源中陰極電極的表面電場(chǎng)分布不均勻,邊緣處的高電場(chǎng)易導(dǎo)致其上的碳納米管燒毀,從而引起場(chǎng)發(fā)射電流衰減。為了解決此問(wèn)題,提出將常開(kāi)工作模式用于該電子源,并證實(shí)常開(kāi)工作模式能夠用于該電子源,并有利于解決電流衰減問(wèn)題。因此,相對(duì)于常閉工作模式,常開(kāi)工作模式更適合平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源。

　　碳納米管具有較大的長(zhǎng)徑比,極高的電導(dǎo)率,卓越的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),被喻為是新一代理想的場(chǎng)發(fā)射材料。人們已經(jīng)采用絲網(wǎng)印刷法、化學(xué)汽相淀積法等制備方法,成功地獲得了基于碳納米管的高效場(chǎng)發(fā)射電子源,并把它應(yīng)用到各種微電子器件中如:場(chǎng)發(fā)射顯示器。目前,人們更加關(guān)注的是帶柵極的三極管結(jié)構(gòu)的碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源 。三極管結(jié)構(gòu)的碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源的工作原理為:通過(guò)調(diào)節(jié)柵極與陰極間的電壓來(lái)改變陰極電極上碳納米管表面的局域電場(chǎng),從而來(lái)調(diào)制碳納米管的電子發(fā)射;發(fā)射出的電子在陽(yáng)極與陰極間的高電壓作用下形成有用的陽(yáng)極電流。由于柵極與陰極之間距離很小,所需柵極調(diào)制電壓較低,因此更適合在實(shí)際真空電子器件中應(yīng)用。依照柵極電壓對(duì)碳納米管電子發(fā)射的調(diào)制方式不同,電子源的工作模式可分為常閉工作模式和常開(kāi)工作模式。前者是利用柵極和陰極間的正電壓來(lái)增大碳納米管表面的局域電場(chǎng),從而開(kāi)啟和調(diào)制碳納米管的場(chǎng)電子發(fā)射;后者是在陽(yáng)極和陰極間高電壓的作用下直接使碳納米管發(fā)射電子,然后利用柵極和陰極間的負(fù)電壓來(lái)降低碳納米管表面的局域電場(chǎng),從而抑制碳納米管的場(chǎng)電子發(fā)射,甚至關(guān)閉碳納米管發(fā)射電子。

　　已經(jīng)報(bào)道的基于碳納米管的三極管結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射電子源主要有正柵極 、背柵極和平面柵極結(jié)構(gòu)。我們?cè)谝郧暗墓ぷ髦邪l(fā)展了一種電泳選域淀積技術(shù)成功地制備了平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源,并且在常閉工作模式下展示了優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能�？墒�,該電子源工作在高的柵極電壓下,場(chǎng)發(fā)射電流卻迅速衰減,具有較低的壽命。

　　本文采用數(shù)值模擬的方法,在數(shù)值計(jì)算了常閉工作模式下平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源中陰極電極表面的電場(chǎng)分布的基礎(chǔ)之上,討論了導(dǎo)致電流衰減的原因。針對(duì)該電流衰減問(wèn)題,本文又提出將常開(kāi)型工作模式應(yīng)用于平面柵極型場(chǎng)發(fā)射電子源。為了證實(shí)常開(kāi)型工作模式的可行性,模擬計(jì)算了常開(kāi)工作模式下平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源中陰極電極表面的電場(chǎng)分布,結(jié)果表明該工作模式有利于解決電流衰減問(wèn)題,更適用于平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源。

1、器件結(jié)構(gòu)和模擬計(jì)算

　　平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,陰極電極斑條和柵極電極斑條在同一個(gè)平面上,均相互平行且呈周期性分布,其中每隔一個(gè)柵極電極斑條的陰極電極斑條上組裝碳納米管場(chǎng)發(fā)射體。整個(gè)電子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,陰極和柵極可以通過(guò)絕緣的玻璃襯底隔開(kāi),無(wú)需絕緣層的制作;并且制備工藝相對(duì)容易,僅需相互平行的斑條電極的制備和隔條組裝碳納米管。

圖1 　平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源的結(jié)構(gòu)(截面圖)

　　為了模擬研究該平面柵極型碳納米管場(chǎng)發(fā)射電子源,采用有限元法數(shù)值計(jì)算了電子源中陰極電極斑條表面的靜電場(chǎng)分布。計(jì)算時(shí)由于電子源中的陰極電極斑條的長(zhǎng)度可視為無(wú)限長(zhǎng)及柵極斑條與陰極電極斑條的周期性分布,根據(jù)對(duì)稱性,靜電場(chǎng)的計(jì)算可由三維計(jì)算轉(zhuǎn)化為二維計(jì)算。計(jì)算時(shí)不考慮碳納米管的微觀結(jié)構(gòu),可認(rèn)為是一個(gè)薄膜,并且所計(jì)算出的陰極電極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度近似為電極上碳納米管的外加電場(chǎng)。所有陰極斑條寬度為100μm(其中每個(gè)電極中間94μm 區(qū)域上組裝碳納米管) ,柵極斑條寬度均為100μm ,柵極2陰極間的距離為20μm ,電子源平面距離陽(yáng)極為500μm。模擬計(jì)算時(shí)的邊界條件為陽(yáng)極電極電壓為Va ,所有的陰極電極斑條電勢(shì)為0 ,所有的柵極電極斑條電勢(shì)為Vg。

2、結(jié)果和討論

　　圖2 為常閉模式下平面柵極型場(chǎng)發(fā)射電子源中的每個(gè)陰極電極斑條表面的電場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算的邊界條件為:Va 為1000V、Vg 為0～120V。從該圖可以看出,陰極斑條表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻,兩側(cè)大于中間部分;并且隨著柵極電壓的增大,表面所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度均相應(yīng)增加。該結(jié)果顯示柵極電壓能夠有效地調(diào)制陰極斑條表面的電場(chǎng)強(qiáng)度。討論該電子源的場(chǎng)發(fā)射性能, 采用傳統(tǒng)的Fowler 公式:

　　其中J 為電流密度, E 為外加的電場(chǎng)強(qiáng)度,Φ 為表面功函數(shù),β為場(chǎng)增強(qiáng)因子,A 和B 為常數(shù)。如果認(rèn)為該電子源中陰極電極的表面電場(chǎng)為碳納米管的外加電場(chǎng),那么隨著柵極電壓的增大,碳納米管表面的外加電場(chǎng)強(qiáng)度增加。依照Fowler 公式,碳納米管的場(chǎng)發(fā)射電流也增大。因此,計(jì)算結(jié)果證實(shí)了該結(jié)構(gòu)的電子源具有一定的柵控能力,即柵極電壓可以開(kāi)啟和調(diào)制碳納米管的場(chǎng)發(fā)射電流。