基于氧化锡薄膜的表面传导场致发射阴极阵列的制备及性能研究

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

  利用磁控溅射和阳光刻技术在玻璃基底上成功制备了不同厚度SnO2的表面传导场致发射阴极阵列,并测试其场致发射性能。X 射线衍射和X 射线光电子谱测试表明,沉积在阴极和栅极之间的薄膜为SnO2薄膜;原子显微镜测试表明,SnO2薄膜形貌的粗糙度随沉积时间的增长而增加,晶粒大小也随着膜厚的增加而增大。场发射测试表明,制备的SnO2表面传导场致发射阴极阵列的传导电流和发射电流完全被栅极电压控制;在SnO2薄膜厚度为60nm 时,阳极电压和栅极电压分别为3200 V 和200 V,阴阳间距为500 μm 时,SnO2表面传导场致发射阴极阵列的电子发射效率为0.72%,发光亮度为650 cd /m2 ,表明SnO2薄膜在表面传导场致发射阴极阵列方面有着较好的应用潜力。

  氧化锡( SnO2) 属于立方晶系,具有金红石结构,由于其晶格中的氧缺陷形成施主能级,是一种禁带宽度为3.6 eV( 300 K) 的n 型半导体氧化物,在可见光区域内,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其具有低的电阻率、高的透过率、稳定的热学和化学性质,被广泛应用于透明导电电极、透明导电膜、太阳能电池和气敏传感器件等方面。此外,氧化锡在高场强下,表现出强烈的能带弯曲和较低的电子亲和能,在场致发射( Field Emission) 中作为阴极材料成为了研究的热点。

  目前,SnO2薄膜的制备技术主要包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、二步热氧化法、溶胶-凝胶法,本文采用成熟的磁控溅射工艺在阴极和栅极电极之间的玻璃基底上沉积不同厚度的SnO2薄膜,利用X 射线衍射( XRD) 、X 射线光电子谱( XPS) 和原子力显微镜( AFM) 对薄膜组成成分和微光结构进行表征;同时,以不同厚度的SnO2薄膜为表面传导电子发射源,结合场发射测试系统研究其场致发射性能。

1、实验

  1.1、SnO2薄膜的制备

  本实验利用JCP-1200 磁控溅射镀膜机在10 cm× 10 cm 的玻璃基底表面溅射100 nm 的金属Cr /Cu复合薄膜,采用旋涂技术将RZJ-304 光刻胶涂覆在金属薄膜表面,经烘烤、曝光和显影后,形成具有光刻胶保护、且相互平行的阴极和栅极图案,利用湿法刻蚀技术腐蚀没有光刻胶保护的金属薄膜,并对样品表面进行清洁预处理,以备镀膜使用;再采用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( 99.99%) 混合气体,流量比为1:1,混合气体使得溅射压强维持在1 Pa,溅射功率150 W,分别溅射3,5和8 min;将玻璃基板浸泡在丙酮溶液中剥离金属表面的光刻胶和氧化锡薄膜,制备了以SnO2薄膜为传导源的表面传导场发射阴极阵列。

  1.2、SnO2薄膜表征及场发射性能测试

  本文采用美国Thermo Scientific ESCALAB 250 XPS 对样品元素的化学形态进行分析,采用荷兰Philips X’Pert Pro XRD 对样品进行了结构分析,采用美国Veeco 仪器公司的Nano ScopeⅢa 型AFM 表征样品的微观结构,并结合场致发射系统测试SnO2薄膜的场发射性能。

  实验以涂覆绿色荧光粉的ITO 玻璃作为阳极基板,以SnO2表面传导场致发射阴极阵列作为阴极基板,阳极基板和阴极基板之间用厚度为500 μm 隔离子隔开,测试装置如图1 所示。其中Ie为测试时的发射电流,Ic为传导电流,Va是阳极电压,Vg为加在栅极上的电压,R1和R2为限流电阻,起保护测试电路作用。将装配好的器件放置在场发射测试系统的真空腔体中,然后将器件上的阳极、阴极和栅极与测试电路连接,测试电路连接完后将腔体关闭,打开真空系统开始抽真空,待腔体抽到真空度大约在1. 0 × 10 -4 Pa 时,加电源电压进行测试。获取不同的电压所对应的电流值,即I-V 特性曲线图。

场发射测试电路图

图1 场发射测试电路图

2、结论

  利用磁控溅射技术在阴极和栅极之间的玻璃基底上成功制备了一种不同厚度的SnO2薄膜表面传导场致发射阴极阵列,并研究其场致发射性能。XPS 和XRD 测试表明,在氧气和氩气流量比为1:1,室温下溅射不同时间后获得的薄膜为SnO2薄膜;AFM 测试表明,SnO2薄膜形貌的粗糙度随着沉积时间的增长而增加,且薄膜的晶粒大小也随着膜厚的增加而增大。场发射测试表明,SnO2薄膜表面传导场致发射阴极阵列的传导电流和发射电流随着栅极电压的增加而增大,其场致发射特性完全被栅极电压控制。在阳极电压和栅极电压分别为3200 V 和200 V,阴阳间距为500 μm 时,SnO2薄膜厚度为60nm 的表面传导场致发射阴极阵列的电子发射效率为0.72%,发光亮度高达650 cd /m2。总之,SnO2表面传导场致发射阴极阵列的制备工艺简单,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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