平栅型氧化锡表面传导电子发射源的制备及场发射性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福州大学物理与信息工程学院 作者:张永爱

  利用磁控溅射、光刻和剥离技术在玻璃基底上成功制备了平栅型氧化锡表面传导电子发射源,并测试其场发射性能。扫描电镜和光学显微镜测试表明,沉积在阴极和栅极之间的氧化锡为不连续薄膜,直径大约在100~200nm。场发射测试表明,电子发射源的传导电流和发射电流完全被栅压控制。在阳压和栅压分别为3200V和210V时,阴阳间距为500Lm时,平栅型氧化锡表面传导电子发射源的电子发射效率为0.85%,发光亮度为850cd/m2,表明氧化锡薄膜在表面传导电子发射源方面有着较好的应用潜力。

  氧化锡(SnO2)是一种禁带宽度为3.6eV(300K)的n型半导体氧化物,在可见光区域内,由于具有低的电阻率、高的透过率、稳定的热学和化学性质,被广泛应用于透明电极、液晶显示器、场发射、太阳能电池和传感器等方面。此外,氧化锡薄膜在高场强下,表现出强烈的能带弯曲和较低的电子亲和能,在场致发射(FieldEmission)中作为阴极材料成为了研究的热点。表面传导场致发射(Surface-conducted Field Emission,SCFE)是一种新型的三极式场发射结构,其工作原理是在两个电极之间施加电压,电子从一个孤岛发射到下一个孤岛,电子在薄膜颗粒之间发生隧穿效应,孤岛之间传导的电子有一部分在阳极电压的牵引下到达阳极,形成发射电流,实现了表面传导发射。然而,传统薄膜型表面传导电子发射是在电极图形的间隙内喷涂PdO纳米颗粒,PdO纳米颗粒在真空中经过电加热还原,之后在碳源气氛中对电极通电,形成一层碳膜,传导源制作工艺复杂,成本高,且电子发射效率低。低的电子发射效率和高的制作成本限制了这种表面传导电子发射的应用。

  本文采用成熟的磁控溅射、光刻和剥离技术制备一种平栅型SnO2表面传导电子发射源,利用光学显微镜和扫描电镜表征平栅型SnO2表面传导电子发射源阵列和传导源的微观结构,并研究其场发射性能。

1、实验

  1.1、SnO2-SCFE电子发射源的制备

  利用传统的磁控溅射、光刻和剥离技术在10cm×10cm的玻璃基片上制备平栅型SnO2表面传导电子发射源,实验工艺流程如图1所示。利用直流磁控溅射在玻璃基底表面溅射100nm的金属Cr/Cu/Cr复合薄膜,采用光刻技术制备阴极和栅极电极,并对样品表面进行清洁预处理,以备镀膜使用。本实验所用WTCJ-600磁控反应溅射镀膜机,以纯度为99.99%的Sn金属靶做靶材,衬底温度固定在室温,阴极与衬底的距离为5cm,在真空度为1.5×10-3 Pa,通入氧气(99.99%)与氩气(99199%)混合气体,流量比为1B1,混合气体使得溅射压强维持在1Pa,溅射功率150W,溅射时间为5min。采用剥离法来去除电极上氧化锡薄膜并对样品表面进行清洁预处理,将制作完成的实验片放进60e的洁净烘箱里烘干30min便得到最终成品。实验采用石家庄恒威电源科技公司生产的SMC-1/30/SJF型脉冲电源,在阴极和栅极电极间施加脉冲电压,阴栅电极间的SnO2不连续薄膜颗粒便会形成纳米量级的裂缝。

平栅型SnO2表面传导电子发射源的制备流程图

图1 平栅型SnO2表面传导电子发射源的制备流程图

3、结论

  采用磁控溅射、光刻和剥离技术在玻璃基底上成功制备了一种以SnO2薄膜为表面传导源、阴极和栅极相互平行的电子发射源,并研究其场发射性能。SEM测试表明,在氧气和氩气流量比为1B1,室温下溅射5min后,经峰峰值为40V,频率为1000Hz的脉冲电压预处理后的SnO2为不连续薄膜,直径大约在100~200nm。场发射测试表明,电子发射源的传导电流和发射电流完全被栅压控制。在阳压和栅压分别为3200和210V时,阴阳间距为500Lm时,平栅型SnO2表面传导电子发射源的电子发射效率为0.85%,发光亮度为850cd/m2。总之,平栅型SnO2表面传导电子发射源的制备工艺简单,性能稳定,为寻求一种新型的场发射阴极阵列提供一种新的选择。

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