利用UV暴光技能研制单根定向碳纳米管阵列冷负极
经过一般的紫外(UV)光刻工艺,联合“变倾斜角缩口”新技能,研制了相反发射单元尺寸的碳纳米管(CNTs)阵列负极。扫瞄电镜综合表明,随着缩口尺寸的顺次减小(从0.6μm到0.4μm,最初到0.2μm),发射单元内CNTs的根数也一直缩小。当孔径缩至0.2μm时,发射单元仅由1根～3根CNTs组成,况且大全体单元顶端均有单根CNT伸出,使得整个发射体相近于单根CNT。场发射特点测试后果表明,0.2μm发射单元尺寸的阵列负极,开启磁场约2V·μm-1;当场强为20V·μm-1时,该阵列的直流电密度达成0.35A·cm-2,比1μm尺寸的阵列负极普及了近4倍,比陆续成长的地膜CNTs负极则高1～2个单位级。
碳纳米管(CNTs)是一种优异的场发射体资料。其稳固的物理和化学性质和自身的高纵横比,使其能够失掉更稳固、更大的发射直流电,无望变成真空微电子器件中很有后劲的负极电子源。然而,在基片上成长的定向陆续的CNTs,管之间的间距很小,存在重大的磁场屏蔽效应,使得CNTs发射体尖端的场壮大大削弱,因而负极的发射直流电密度很低。利用光刻技能,将陆续成长的CNTs图形化是普及发射直流电密度的一种方法。咱们曾经利用UV光刻技能打造了单元直径为1μm的CNTs阵列负极,普及了负极的发射直流电密度。然而,图形化阵列的每个发射单元中仍有许多CNTs,它们之间的屏蔽效应仍然存在,因而发射直流电密度仍制约在多少十毫安每平方厘米。
为了最大限度地防止磁场屏蔽作用,务必打造单根的、天各一方散布的定向CNTs阵列负极。剑桥大学的Milne等采纳电子束光刻技能,经过掌握催化剂颗粒的尺寸在100nm～200nm,打造出600μm×600μm的单根定向CNTs阵列负极。在磁场为21V·μm-1时,获得0.7A·cm-2的直流电密度。并将该负极利用在微波真空三极管中,测得作业直流电密度达成1A·cm-2,调制效率为1.5GHz,预期的作业效率可达成30GHz～100GHz。显然,这种大直流电密度的二极式单根定向CNTs阵列负极,在更高效率的微波电真空器件中存在潜在的利用价格。
依据眼前海内外的简报,电子束暴光是绝无仅有一种打造单根定向CNTs阵列的路径。然而,电子束暴光技能须要专用的设施,不仅价钱低廉,而且作业效率较低,正常仅局限在个别的试验室运用。与此相比,眼前海内外大规模运用的光刻技能,用一般的紫外暴光。这种技能成熟、工艺容易、利润低,况且能够批量生产。因而,那末能用UV光刻技能打造单根CNTs阵列负极,将为兑现单根CNTs负极的理论利用奠定根底。
咱们已经简报过,利用UV光刻技能打造发射单元直径为1μm的图形化CNTs阵列负极。因为UV技能的满分辨率是0.7μm,因而1μm尺寸的CNTs发射单元曾经达成该技能的极限尺寸。而成长单根CNT务求催化剂的面积小于200nm,因而仅用UV技能无奈兑现单根CNT的成长。为此,白文提出了一种新技能———“变倾斜角缩口”技能,该技能可进一步放大孔径,打造了发射单元尺寸别离为0.6μm、0.4μm和0.2μm的负极,其中0.2μm尺寸的负极发射体已濒临单根CNT。
1、试验步骤
1.1、单根CNTs阵列负极的设计
制约二极式定向CNTs阵列负极直流电密度的重要成分是CNT之间的磁场屏蔽效应。通常成长的CNTs之间的间距都比拟濒临,每根CNT顶端的磁场强度因为四周CNT的屏蔽作用而大大削弱,使负极的发射直流电密度升高。因而,在单根CNT阵列负极的打造之前,务必对阵列的构造尺寸继续正当地设计。
图1是二极式单根CNT阵列负极的构造模子示用意。它由负极组件和一个呆滞阳极组成,负极组件则囊括n2Si(100)衬底、氮化钛缓冲层和挺立的单根CNT阵列。CNT之间的直径为D,间距为d,高为h,衬底与阳极之间的间隔为L。
设CNT的高h=3μm和直径D=50nm(CNT的高和直径是依据制备CNT的具体试验数据确定的),阳极与衬底的间隔L=10μm,仅改观CNT之间的间距d,模仿划算屏蔽效应答负极场发射特点的莫须有,失去CNT顶端的磁场强度E和间距d的关系曲线如图2所示。
图1 二极式单根CNT阵列负极的构造模子示用意 图2 h=3μm,d相反声,磁场强度变迁曲线
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3、论断
利用一般UV暴光工艺,打造出相反单元尺寸的CNTs阵列负极。扫描电镜综合表明,阵列存在较好的统一性,发射单元均呈圆扇形;随着缩口尺寸的减小,发射单元内CNTs的根数缩小。当缩口至0.2μm时,阵列中的发射单元由1根～3根CNTs组成,顶端均有单根CNT伸出,使得发射体濒临于单根CNT。场发射特点测试表明,0.2μm单元尺寸的CNTs负极,发射直流电密度比未缩口前的1μm单元尺寸的负极普及了近4倍,比基片上陆续成长的CNT负极普及1～2个单位级。
白文钻研的一种“变倾斜角缩口”技能克服了打造这种单根CNT阵列负极的要害难点。。它可无效战胜就义层缩口中涌现的“瓶颈景象”,使缩口达成200nm或更小,为打造单根CNTs阵列负极奠定了根底。下一步作业须要进一步优化工艺参数,普及CNT的挺立定向性,接续改善阵列的统一性,打造发射特点更好的单根定向CNTs阵列负极。
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