AlN納米錐的圖案化成長及場發(fā)射性能鉆研
以鉬網(wǎng)作為掩膜，以鍍Ni的硅片為基底，經(jīng)過AlCl3和NH3的反響，在700℃時兌現(xiàn)AlN納米錐的圖案化成長。圖案化成長使AlN納米錐的屏蔽效應(yīng)升高，場發(fā)射性質(zhì)有顯然改善。與未圖案化的樣品相比，圖案化AlN納米錐的開啟電壓和閾值電壓顯著升高，場發(fā)射直流電密度顯著普及。這種圖案化成長技能無望拓展到其它納米冷負極資料體系，優(yōu)化其場發(fā)射性能。1、小引
冷負極場發(fā)射資料在軍事及公民生涯中都有寬泛的潛在利用價格，近年來有關(guān)鉆研重要集中于冷負極場發(fā)射資料在場發(fā)射呆滯預(yù)示器中的利用。冷負極場發(fā)射資料的停滯閱歷了三個朝代。第一代為20世紀60年歲前期涌現(xiàn)的以Spindt錐型資料（鉬和硅的尖錐）為代辦的冷負極場發(fā)射資料，旋片式真空泵在錐狀資料上強加電壓后，其尖端會產(chǎn)生很強的磁場，輕易誘火力發(fā)電子發(fā)射。因為鉬和硅存在大的名義功函，且Spindt型鉬/硅錐的分解線路簡單且造價低廉，使該署資料很難付諸理論利用。隨后，因為存在低（乃至負）的電子親和勢、高的化學(xué)穩(wěn)固性和熱傳播性，金剛石/類金剛石地膜資料變成第二代冷負極場發(fā)射資料。然而因為地膜的勻稱度難以掌握，且電子發(fā)射位置錯雜無章，使其周折于后續(xù)器件的組裝，也逐步淡出人們的視線。近年來以碳納米管為代辦的一維納米資料的場發(fā)射性能鉆研導(dǎo)致了迷信家的寬泛趣味，一維納米資料存在大的長徑比和納米級尖端，能夠無效普及資料的場加強因子，改善場發(fā)射性能。在取舍適合的資料體系時，低的名義功函或電子親和勢、高穩(wěn)固性及優(yōu)異熱傳播性是不足道的參考指標。
AlN存在低（乃至負）的電子親和勢、高的穩(wěn)固性及優(yōu)質(zhì)的熱導(dǎo)性能，其一維納米資料可望變成一種有后勁的納米冷負極資料。近年來各族形貌的AlN一維納米資料，囊括納米管、納米線、納米帶、納米錐等，已被相繼分解。在該署納米資料中，AlN納米錐陣列存在銳利的尖端，大的長徑比及較好的定向性，也體現(xiàn)出較好的場發(fā)射性能。為了進一步優(yōu)化AlN納米錐的場發(fā)射性能，有兩種路徑不值試行:一種是經(jīng)過摻雜其它元素（比如：硅）以普及載流子深淺；另一種是經(jīng)過升高納米錐的密度以升高屏蔽效應(yīng)。Nilsson等人經(jīng)過試驗和實踐的劃算得出：場發(fā)射頭的密度增多時，屏蔽效應(yīng)加強，場加強因子及發(fā)射直流電升高，當(dāng)兩個一維納米發(fā)射頭之間的間隔是其高低的2倍時，單位面積的場發(fā)射直流電最大。因而，AlN納米錐的密度對其場發(fā)射性能有不足道的莫須有。正如真空技能網(wǎng)的其它篇章中簡報，當(dāng)AlN納米錐的密度較大時，因為屏蔽效應(yīng)，場加強因子及發(fā)射直流電會升高。
圖案化成長是一種很好的掌握納米構(gòu)造密度的步驟，重要有兩種路徑:一種是經(jīng)過電子束刻蝕、紫外普照耀等技能取舍性地潤飾基底的親疏水性，構(gòu)建圖案化的基底；另一種步驟是經(jīng)過構(gòu)建圖案化的催化劑進而莫須有納米構(gòu)造的圖案化成長，因為AlN納米錐的成長不需借助催化劑，且對基底資料沒有務(wù)求，因而上述路徑無奈誘導(dǎo)AlN納米錐的圖案化成長。白文經(jīng)過引入鉬網(wǎng)作為掩膜兌現(xiàn)了AlN納米錐的圖案化成長。與未圖案化的出品相比，圖案化的AlN納米錐存在更好的場發(fā)射性質(zhì)，無利于其在場發(fā)射呆滯預(yù)示器中的利用。2、試驗全體
AlN納米錐的圖案化成長是經(jīng)過引入鉬網(wǎng)作為掩膜以AlCl3和NH3在700℃下反響兌現(xiàn)的（如圖1A所示）。將鉬網(wǎng)緊緊黏附的硅片擱置于管式爐的核心，當(dāng)沉積區(qū)熱度升至700℃時，三氯化鋁在氬氣氣旋的牽動下到反響海域，并與阿摩尼亞反響，AlN納米錐在鉬網(wǎng)的距離沉積，而被鉬網(wǎng)遮蓋的中央則沒有AlN的沉積。反響延續(xù)4個時辰，在氬氣氣旋的掩護下結(jié)冰至室溫，反響終了后，將鉬網(wǎng)除去失去圖案化的AlN納米錐。白文中試行了兩種相反尺寸的鉬網(wǎng)作為掩膜。同聲在相反條件下制備了未圖案化的AlN納米錐作為比擬。
樣品經(jīng)過X射線衍射儀（XRD;PhilipsX’pertProX-raydiffractometer）及掃描電鏡(SEM;HitachiS-4800)繼續(xù)表征。場發(fā)射性質(zhì)的測量在1×10-4Pa的真空腔中繼續(xù)。3、后果與探討
兩種相反尺寸的圖案化AlN納米錐SEM照片如圖1B-F所示。關(guān)于圖案化樣品I，沉積區(qū)的尺寸為185μm，兩相鄰沉積區(qū)的間隔為35μm，與所用鉬網(wǎng)的尺寸相統(tǒng)一。在沉積區(qū)單元的AlN納米錐呈準定向分（圖1D）布，而被鉬網(wǎng)遮蓋的中央則沒有AlN的沉積（圖1E）。關(guān)于圖案化樣品II，沉積單元的尺寸為100μm，而兩相鄰沉積區(qū)的間隔較大，為60μm（圖1F）。圖案化樣品比擬均一，無利于其在呆滯預(yù)示器上圖案化像素的利用。未圖案化的AlN納米錐的SEM照片如圖2所示，納米錐呈準定向排列，且尺寸均一，與圖案化樣品類似，注明有無鉬網(wǎng)關(guān)于AlN納米錐的形貌沒有莫須有。
圖1.（A）圖案化成長內(nèi)中示用意；（B）圖案化樣品I的SEM照片；（C）圖B中白色方框中放大的SEM照片；（D）圖案化樣品I沉積單元的SEM照片；（E）圖案化樣品I被鉬網(wǎng)遮蓋海域的SEM照片；（F）圖案化樣品II的SEM照片。
與未圖案化的AlN納米錐相比，圖案化AlN納米錐存在更大的邊緣海域。因為邊緣海域的屏蔽效應(yīng)較低，圖案化AlN納米錐無須會存在較好的場發(fā)射性質(zhì)。圖3給出了圖案化樣品及未圖案化樣品的場發(fā)射曲線。樣品的開啟電壓（Eto,產(chǎn)生10μA/cm2直流電所須要的磁場）和閾值電壓（Ethr,產(chǎn)生1mA/cm2直流電所須要的磁場）如表1所示。后果表明，圖案化AlN納米錐樣品的開啟電壓及閾值電壓有顯著升高；與圖案化樣品I相比，圖案化樣品II存在更小的開啟電壓和閾值磁場。圖案化AlN納米錐存在較大的邊緣海域，且樣品II存在絕對更大的邊緣海域面積；因為該署邊緣海域的AlN納米錐的密度減小，使得屏蔽效應(yīng)升高，從而招致了其場發(fā)射性能的加強。只管圖案化AlN納米錐的閾值電壓高于碳納米管，然而能夠和氧化鋅及硼納米線相比較。后果表明，圖案化成長是一種無效且反復(fù)性較好的普及AlN納米錐場發(fā)射性質(zhì)的步驟。
圖3.（A）圖案化樣品I、II及未圖案化AlN納米錐陣列的直流電密度～磁場曲線（J-E曲線）；（B）與J-E曲線絕對應(yīng)的Fowler-Nordheim曲線，即ln(J/E2)-1/E曲線。
表1.圖案化及未圖案化樣品的Eto,Ethr及β值
F-N曲線如圖3B所示。依據(jù)F-N實踐，F(xiàn)-N曲線的斜率等于-6830φ3/2/β，其中φ為功函，β為場加強因子。AlN的功函以3.7eV劃算[6]，未圖案化AlN納米錐的場加強因子為430。
因為屏蔽效應(yīng)的升高，兩個圖案化樣品的場加強因子有了顯然的普及（表一）。關(guān)于圖案化樣品I，其F-N曲線分為兩段，在高場和低場的場加強因子別離為950和600，這可能是因為空間荷電效應(yīng)導(dǎo)致的。從圖3A可看出，在高場全體，圖案化樣品I的直流電至多是未圖案化樣品的5倍。高的直流電密度會經(jīng)過水解殘余的氣體分子產(chǎn)生空間電荷，在磁場作用下，陽離子挪動到AlN發(fā)射頭的尖端，使得發(fā)射頭的電壓增多，因而在高磁場時存在較大的場加強因子。而圖案化樣品II在低磁場時就存在大的直流電密度，荷電效應(yīng)在整個磁場下都存在，因而其F-N曲線呈線性，場加強因子為1561。4、論斷
白文經(jīng)過引入鉬網(wǎng)作為掩膜停滯了一條容易的制備圖案化AlN納米錐的步驟。圖案化AlN納米錐存在均一的形貌及準定向的排列。因為增多了邊緣海域，圖案化成長無效升高了屏蔽效應(yīng)，使圖案化AlN納米錐的開啟和閾值電壓有了顯然的升高。后果表明圖案化成長是一種無效普及AlN納米錐場發(fā)射性質(zhì)的步驟，也無望進一步利用于優(yōu)化其它納米冷負極資料的場發(fā)射性能。
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