采用數值模擬的方法對比性地研究了常閉和常開工作模式下平面柵極型碳納米管場發射電子源。靜電場的數值計算結果顯示:常閉工作模式下該電子源中陰極電極的表面電場分布不均勻,邊緣處的高電場易導致其上的碳納米管燒毀,從而引起場發射電流衰減。為了解決此問題,提出將常開工作模式用于該電子源,并證實常開工作模式能夠用于該電子源,并有利于解決電流衰減問題。因此,相對于常閉工作模式,常開工作模式更適合平面柵極型碳納米管場發射電子源。

　　碳納米管具有較大的長徑比,極高的電導率,卓越的機械強度和化學穩定性等優點,被喻為是新一代理想的場發射材料。人們已經采用絲網印刷法、化學汽相淀積法等制備方法,成功地獲得了基于碳納米管的高效場發射電子源,并把它應用到各種微電子器件中如:場發射顯示器。目前,人們更加關注的是帶柵極的三極管結構的碳納米管場發射電子源 。三極管結構的碳納米管場發射電子源的工作原理為:通過調節柵極與陰極間的電壓來改變陰極電極上碳納米管表面的局域電場,從而來調制碳納米管的電子發射;發射出的電子在陽極與陰極間的高電壓作用下形成有用的陽極電流。由于柵極與陰極之間距離很小,所需柵極調制電壓較低,因此更適合在實際真空電子器件中應用。依照柵極電壓對碳納米管電子發射的調制方式不同,電子源的工作模式可分為常閉工作模式和常開工作模式。前者是利用柵極和陰極間的正電壓來增大碳納米管表面的局域電場,從而開啟和調制碳納米管的場電子發射;后者是在陽極和陰極間高電壓的作用下直接使碳納米管發射電子,然后利用柵極和陰極間的負電壓來降低碳納米管表面的局域電場,從而抑制碳納米管的場電子發射,甚至關閉碳納米管發射電子。

　　已經報道的基于碳納米管的三極管結構的場發射電子源主要有正柵極 、背柵極和平面柵極結構。我們在以前的工作中發展了一種電泳選域淀積技術成功地制備了平面柵極型碳納米管場發射電子源,并且在常閉工作模式下展示了優異的場發射性能。可是,該電子源工作在高的柵極電壓下,場發射電流卻迅速衰減,具有較低的壽命。

　　本文采用數值模擬的方法,在數值計算了常閉工作模式下平面柵極型碳納米管場發射電子源中陰極電極表面的電場分布的基礎之上,討論了導致電流衰減的原因。針對該電流衰減問題,本文又提出將常開型工作模式應用于平面柵極型場發射電子源。為了證實常開型工作模式的可行性,模擬計算了常開工作模式下平面柵極型碳納米管場發射電子源中陰極電極表面的電場分布,結果表明該工作模式有利于解決電流衰減問題,更適用于平面柵極型碳納米管場發射電子源。

1、器件結構和模擬計算

　　平面柵極型碳納米管場發射電子源的結構如圖1 所示,陰極電極斑條和柵極電極斑條在同一個平面上,均相互平行且呈周期性分布,其中每隔一個柵極電極斑條的陰極電極斑條上組裝碳納米管場發射體。整個電子源結構簡單,陰極和柵極可以通過絕緣的玻璃襯底隔開,無需絕緣層的制作;并且制備工藝相對容易,僅需相互平行的斑條電極的制備和隔條組裝碳納米管。

圖1 　平面柵極型碳納米管場發射電子源的結構(截面圖)

　　為了模擬研究該平面柵極型碳納米管場發射電子源,采用有限元法數值計算了電子源中陰極電極斑條表面的靜電場分布。計算時由于電子源中的陰極電極斑條的長度可視為無限長及柵極斑條與陰極電極斑條的周期性分布,根據對稱性,靜電場的計算可由三維計算轉化為二維計算。計算時不考慮碳納米管的微觀結構,可認為是一個薄膜,并且所計算出的陰極電極表面的電場強度近似為電極上碳納米管的外加電場。所有陰極斑條寬度為100μm(其中每個電極中間94μm 區域上組裝碳納米管) ,柵極斑條寬度均為100μm ,柵極2陰極間的距離為20μm ,電子源平面距離陽極為500μm。模擬計算時的邊界條件為陽極電極電壓為Va ,所有的陰極電極斑條電勢為0 ,所有的柵極電極斑條電勢為Vg。

2、結果和討論

　　圖2 為常閉模式下平面柵極型場發射電子源中的每個陰極電極斑條表面的電場分布的計算結果。計算的邊界條件為:Va 為1000V、Vg 為0～120V。從該圖可以看出,陰極斑條表面的電場強度分布不均勻,兩側大于中間部分;并且隨著柵極電壓的增大,表面所有位置的電場強度均相應增加。該結果顯示柵極電壓能夠有效地調制陰極斑條表面的電場強度。討論該電子源的場發射性能, 采用傳統的Fowler 公式:

　　其中J 為電流密度, E 為外加的電場強度,Φ 為表面功函數,β為場增強因子,A 和B 為常數。如果認為該電子源中陰極電極的表面電場為碳納米管的外加電場,那么隨著柵極電壓的增大,碳納米管表面的外加電場強度增加。依照Fowler 公式,碳納米管的場發射電流也增大。因此,計算結果證實了該結構的電子源具有一定的柵控能力,即柵極電壓可以開啟和調制碳納米管的場發射電流。