采用数值模拟的方法对比性地研究了常闭和常开工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源。静电场的数值计算结果显示:常闭工作模式下该电子源中阴极电极的表面电场分布不均匀,边缘处的高电场易导致其上的碳纳米管烧毁,从而引起场发射电流衰减。为了解决此问题,提出将常开工作模式用于该电子源,并证实常开工作模式能够用于该电子源,并有利于解决电流衰减问题。因此,相对于常闭工作模式,常开工作模式更适合平面栅极型碳纳米管场发射电子源。

　　碳纳米管具有较大的长径比,极高的电导率,卓越的机械强度和化学稳定性等优点,被喻为是新一代理想的场发射材料。人们已经采用丝网印刷法、化学汽相淀积法等制备方法,成功地获得了基于碳纳米管的高效场发射电子源,并把它应用到各种微电子器件中如:场发射显示器。目前,人们更加关注的是带栅极的三极管结构的碳纳米管场发射电子源 。三极管结构的碳纳米管场发射电子源的工作原理为:通过调节栅极与阴极间的电压来改变阴极电极上碳纳米管表面的局域电场,从而来调制碳纳米管的电子发射;发射出的电子在阳极与阴极间的高电压作用下形成有用的阳极电流。由于栅极与阴极之间距离很小,所需栅极调制电压较低,因此更适合在实际真空电子器件中应用。依照栅极电压对碳纳米管电子发射的调制方式不同,电子源的工作模式可分为常闭工作模式和常开工作模式。前者是利用栅极和阴极间的正电压来增大碳纳米管表面的局域电场,从而开启和调制碳纳米管的场电子发射;后者是在阳极和阴极间高电压的作用下直接使碳纳米管发射电子,然后利用栅极和阴极间的负电压来降低碳纳米管表面的局域电场,从而抑制碳纳米管的场电子发射,甚至关闭碳纳米管发射电子。

　　已经报道的基于碳纳米管的三极管结构的场发射电子源主要有正栅极 、背栅极和平面栅极结构。我们在以前的工作中发展了一种电泳选域淀积技术成功地制备了平面栅极型碳纳米管场发射电子源,并且在常闭工作模式下展示了优异的场发射性能。可是,该电子源工作在高的栅极电压下,场发射电流却迅速衰减,具有较低的寿命。

　　本文采用数值模拟的方法,在数值计算了常闭工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中阴极电极表面的电场分布的基础之上,讨论了导致电流衰减的原因。针对该电流衰减问题,本文又提出将常开型工作模式应用于平面栅极型场发射电子源。为了证实常开型工作模式的可行性,模拟计算了常开工作模式下平面栅极型碳纳米管场发射电子源中阴极电极表面的电场分布,结果表明该工作模式有利于解决电流衰减问题,更适用于平面栅极型碳纳米管场发射电子源。

1、器件结构和模拟计算

　　平面栅极型碳纳米管场发射电子源的结构如图1 所示,阴极电极斑条和栅极电极斑条在同一个平面上,均相互平行且呈周期性分布,其中每隔一个栅极电极斑条的阴极电极斑条上组装碳纳米管场发射体。整个电子源结构简单,阴极和栅极可以通过绝缘的玻璃衬底隔开,无需绝缘层的制作;并且制备工艺相对容易,仅需相互平行的斑条电极的制备和隔条组装碳纳米管。

图1 　平面栅极型碳纳米管场发射电子源的结构(截面图)

　　为了模拟研究该平面栅极型碳纳米管场发射电子源,采用有限元法数值计算了电子源中阴极电极斑条表面的静电场分布。计算时由于电子源中的阴极电极斑条的长度可视为无限长及栅极斑条与阴极电极斑条的周期性分布,根据对称性,静电场的计算可由三维计算转化为二维计算。计算时不考虑碳纳米管的微观结构,可认为是一个薄膜,并且所计算出的阴极电极表面的电场强度近似为电极上碳纳米管的外加电场。所有阴极斑条宽度为100μm(其中每个电极中间94μm 区域上组装碳纳米管) ,栅极斑条宽度均为100μm ,栅极2阴极间的距离为20μm ,电子源平面距离阳极为500μm。模拟计算时的边界条件为阳极电极电压为Va ,所有的阴极电极斑条电势为0 ,所有的栅极电极斑条电势为Vg。

2、结果和讨论

　　图2 为常闭模式下平面栅极型场发射电子源中的每个阴极电极斑条表面的电场分布的计算结果。计算的边界条件为:Va 为1000V、Vg 为0～120V。从该图可以看出,阴极斑条表面的电场强度分布不均匀,两侧大于中间部分;并且随着栅极电压的增大,表面所有位置的电场强度均相应增加。该结果显示栅极电压能够有效地调制阴极斑条表面的电场强度。讨论该电子源的场发射性能, 采用传统的Fowler 公式:

　　其中J 为电流密度, E 为外加的电场强度,Φ 为表面功函数,β为场增强因子,A 和B 为常数。如果认为该电子源中阴极电极的表面电场为碳纳米管的外加电场,那么随着栅极电压的增大,碳纳米管表面的外加电场强度增加。依照Fowler 公式,碳纳米管的场发射电流也增大。因此,计算结果证实了该结构的电子源具有一定的栅控能力,即栅极电压可以开启和调制碳纳米管的场发射电流。