[发明专利]类金刚石材料场电子发射阴极及制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及高性能场发射电子发射阴极及制备方法，就是利用类金刚石材料团簇束流沉积实现高空间密度发射体(10⁹-10¹²个/cm²)和高性能场电子发射阴极的方法，其核心是利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值电压的方法。

二、背景技术

场致电子发射是在强电场的作用下材料内部电子通过受抑制的材料/真空界面势垒向空间发射的过程，这一过程在场电子发射枪和场发射平板显示上已经得到了广泛的应用。其中阴极是决定场发射器件性能的核心部件，阴极的材料组成、结构配置和外形等都直接影响了最终器件的发射表现。就材料来讲，最近的研究热点已经从传统的金属材料针尖转向具有很小的甚至是负的电子亲合势的材料。在实际装置中，这些材料被制备到紧密结合的基底上，在施加强电场后，电子从基底直接注入阴极材料的导带，由于电子亲合势很小甚至为负的原因，之后直接进入真空完成电子发射。这些材料目前主要包括金刚石、类金刚石碳薄膜、BN和AlN以及C纳米管等结构。阴极的实际发射面积和发射结构因子也是很重要的因素，目前单根C纳米管被报道具有非常高的发射结构因子(可达10⁴以上)，但是实际工作的阴极中发射体的空间密度却并不高，结果整体发射电流提高有限。而BN、DLC等结构的实际发射因子被报道在10²左右，如果在发射点的空间密度上做工作，则可能让这些阴极达到可以和C纳米管阴极比拟的整体发射性能(几个V/um场强下达到lmA/cm²的电子发射)，而且保持高热稳定性和更薄结构的优势，最终获得实际应用。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种高性能类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，核心是制备高空间密度的纳米电子发射针尖的以提高阴极的场发射性能。

本发明的技术解决方案：类金刚石材料团簇束流沉积在基底结构上以实现高空间密度发射体(10⁹-10¹²个/cm²)和高性能场电子发射阴极。类金刚石材料指类金刚石碳薄膜(DLC)、氮化硼等具有近零或负电子亲合势、高热导和良好稳定性的材料，基底材料是单晶硅、金属或其他导电基底材料。本发明制备的类金刚石材料针尖/基底结构，可用于场发射电子枪或场致发射显示器件作为电子发射阴极。

高性能类金刚石材料场电子发射阴极制备方法，利用团簇束流在基底上沉积高密度纳米针尖发射体从而实现高场发射电流和低发射阈值，在高真空室(背景真空度优于10^-4Pa，充气后真空降到100-1000Pa)中，利用Ar、He等气体碰撞射频磁控溅射产生的类金刚石材料蒸气产生纳米颗粒(工作发射体前驱物)，并产生定向束流将其引到衬底，改变束流强度和沉积时间来实现高空间密度发射体制备。其调节方法是：调节靶室中的Ar、He气体流量(10¹-10²sccm)和分压(1∶1～5∶1)，或控制Ar流量50sccm，调节He的流量，如～30sccm，射频输入净功率在300-400W以上，可以调节最终工作体束流的尺寸组分；调节溅射靶材到小孔的距离(＞10cm)可以调节纳米颗粒以及最终发射体的大小(达到10-200nm直径)；调节引出束流的大小(1A/min～10A/min)和沉积的时间(30min～1000min)，可以调节发射体的的尺寸和空间密度(以＞10⁹个/cm²)。整个制备系统必须在高真空背景下运行。

本发明将以获得高发射体空间密度和高性能(低启动电压、高发射电流)的场发射阴极为目标，利用团簇束流沉积的方法，制备类金刚石材料针尖/基底结构的场发射阴极，调整束流品质和沉积参数达到更高的发射针尖密度，从而达到提高阴极性能的目的。本发明将可能在场发射电子枪、场发射平板显示和未来纳电子发射器件中获得应用。

本发明特点是：通过溅射气体碰撞凝聚形成场发射阴极中的纳米工作物，并形成定向束流，直接利用调节束流沉积时间和尺寸组分的方法调节阴极上工作发射体的密度，以制备高工作发射体空间密度(10⁹-10¹²个/cm²)的阴极。

四、附图说明

图1：高密度BN/Si阴极表面SEM照片

图2：该样品的场发射性能测试结果

五、具体实施方式

本发明主要步骤如附图1所示，现阐述如下：