碳纳米管薄膜的制备及其场发射性能研究
【摘要】：碳纳米管具有独特的结构和良好的导电、热稳定、化学稳定性，在真空微电子器件中具有广泛的应用前景。利用碳纳米管薄膜作为场发射冷阴极的应用研究已成为场发射研究的热点。目前，还存在许多问题亟待解决，其中包括碳纳米管低成本、低温、大面积、可控的制备技术，场发射的均匀性、稳定性，以及在器件应用过程中的工艺兼容性等。上述问题的解决，将加快碳纳米管场发射器件的产业化速度，提高器件的市场竞争力。本论文采用一种低成、大面积、低温的(LPCVD)技术制备碳纳米管薄膜通过二元合金催化剂实现可控制备，研究了老化、退火、阵列化对碳纳米管薄膜在真空微电子器件中应用时的影响，探索碳纳米管薄膜在场发射压力传感器中应用的可能性。1)LPCVD法制备碳纳米管薄膜的工艺优化系统地研究了LPCVD法的各工艺条件，如制备温度、C_2H_2和H_2流量比、压强和中间层等因素对碳纳米管生长的影响。采用LPCVD法可以在较低的温度下(500℃～700℃)制备碳纳米管，满足多数应用的要求。温度对碳纳米管生长具有重要影响。当温度从500℃升高到650℃时，碳纳米管的生长速率随着温度升高而增大，而温度继续上升，速率则明显减小。随着温度上升，碳纳米管的管径增大，长度增加，晶化程度提高。此外，C_2H_2和H_2流量比、压强和中间层等都对碳纳米管生长有一定影响。通过这些工艺参数的调整，可以在一定程度上控制碳纳米管的生长和场发射性能。2)二元合金催化剂可控制备用于场
发射的碳纳米管薄膜利用不含催化作用的金属Ti／Cr和Ni形成二元合金催化剂，通过调节合金中Ni的含量控制碳纳米管的密度，从而优化碳纳米管薄膜的场发射性能。该法简便易行，与半导体工艺相融合，而且工艺纬度较宽，适合工业化生产。特别是，当Ni／Ti比例为76at.％时，制备出一种具有“小山包”表面结构的碳纳米管薄膜，具有优异的场发射特性，达到10μA／cm~2的开启电场为1.29V／μm，在2.4V／μm电场下发射的电流密度达6.88mA／cm~2。这是由碳纳米管本身的场发射特性受到薄膜表面“小山包”的电场增强作用引起的。3)老化和退火对碳纳米管场发射的影响老化使碳纳米管薄膜的场发射趋于稳定和均匀。少数率先发射电子的长碳纳米管在电流的焦耳热作用下发生断裂或蒸发，使较多的次长的碳纳米管成为发射体，因此发射比较均匀。而流经每个发射体的电流减小，对碳纳米管的加热作用较小，因此发射比较稳定。经400℃退火后，碳纳米管薄膜的非晶成分减少，场发射性能略有提高。450℃退火极大地破坏了碳纳米管的管壁，造成场发射性能明显下降。该结果对碳纳米管薄膜在场发射器件中的应用具有重要意义，当器件的封装温度低于400℃时，可以直接在空气中进行，从而降低制作成本。当器件的封装温度高于400℃时，则需要在N2或Ar的保护下进行。4)碳纳米管场发射压力传感器的研制对碳纳米管薄膜作为阴极的场发射压力传感器进行了初步研究工作，首次提出并成功研制出采用碳纳米管做场发射阴极的真空微电子压力传感器，量程为2-550kPa，灵敏度为0.94—5.30nA／Pa。实验结果表明，采用碳纳米管薄膜作为场发射压力传感器的阴
极是可行的，这将为传感器的制作提供一条新的道路。【关键词】：碳纳米管场发射LPCVD可控制备压力传感器 【学位授予单位】：华东师范大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2007 【分类号】：O484.5
【目录】：目录6-8论文摘要8-10ABSTRACT10-12第一章绪论12-27第一节基于场发射的真空微电子器件的应用发展12-13第二节场发射阴极的研究及其应用发展13-16第三节碳纳米管薄膜的场发射研究16-22第四节本论文的研究内容22-24参考文献24-27第二章理论基础和实验方法27-45第一节场发射的理论基础27-33第二节薄膜生长方法和实验设备33-38第三节碳纳米管薄膜的场发射性能测试38-40第四节碳纳米管薄膜的表征40-43参考文献43-45第三章LPCVD法制备碳纳米管薄膜的影响因素45-63第一节引言45第二节制备温度的影响45-54第三节C_2H2和H_2流量比的影响54-58第四节压强的影响58-59第五节不同中间层的影响59-61第六节本章小结61-62参考文献62-63第四章用于场发射的碳纳米管薄膜的可控生长63-83第一节引言63-64第二节NiTi共溅催化剂生长碳纳米管薄膜及其场发射研究64-72第三节NiCr共溅崔化剂生碌纳米管薄膜及其场发射
研究72-81第四节本章小结81-82参考文献82-83第五章碳纳米管薄膜的场发射应用研究83-98第一节引言83第二节老化对碳纳米管薄膜场发射的影响83-89第三节退火对碳纳米管薄膜场发射的影响89-92第四节阵列对碳纳米管薄膜的影响92-95第五节本章小结95-96参考文献96-98第六章碳纳米管场发射压力传感器的研制98-105第一节引言98-99第二节器件总体结构设计与工作原理99-102第三节碳纳米管场发射压力传感器的性能测试102-104第四节本章小结104参考文献104-105第七章结论105-107附录博士期间完成的论文107-108博士期间完成的课题108-109致谢109 本论文购买请联系页眉网站。
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