纳米金刚石涂层场发射阴极结构与性能研究

论文摘要

场致发射显示器件（FED,Field Emission Displays）综合了阴极射线管显示器（CRT,Cathode Ray Tube）和平板显示器的优点,是当前研究的一大热点。金刚石材料具有优良的物理、化学性能,将其作为场发射阴极材料也是目前FED开发的重要方向之一。本文提出了一种简单有效、适于大面积制备的金刚石场发射阴极,即金属钛基纳米金刚石涂层场发射阴极,设计出旋涂法和电泳法两种涂敷方法,以及制备场发射阴极的整体工艺流程,即分散、涂敷—热键合处理—氢等离子体处理。针对钛基纳米金刚石涂层场发射阴极,提出了Ti-TiC-金刚石的电子注入模型。通过对该模型的模拟计算分析,证实其电子注入过程是欧姆接触的注入。分别用旋涂法和电泳法涂敷制备了纳米金刚石涂层场发射阴极,都得到了性能较好的场发射阴极样品。分别对两种方法的制备工艺进行了较为深入的实验研究,对各工艺环节中的关键参数进行了探索,最终得到了适用于两种方法的各工艺环节的优化参数。采用XRD（X射线衍射,X-ray diffraction）、Raman（激光拉曼光谱,）、SEM（扫描电镜,Scanning Electron Microscope）、TEM（透射电镜,Transmission ElectronMicroscope）、AFM（原子力显微镜,Atom Force Microscope）等手段对样品的成分、结构、形貌等进行了分析表征,并结合对样品场发射性能（包括电流-电压关系和发光效果）的测试分析,对样品在不同处理工艺下场发射性能的差异和变化作出了合理的解释和预测。为深入理解纳米金刚石涂层场发射阴极的工作机理,探索性能更加优良的场发射阴极样品提供了大量的实验和理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 场发射显示器概述
• 1.1.1 FED的发展
• 1.1.2 FED的基本原理
• 1.1.3 FED的性能优势
• 1.1.4 FED的市场分析
• 1.1.5 FED关联技术问题
• 1.2 场发射冷阴极
• 1.2.1 冷阴极材料
• 1.2.2 冷阴极发射体结构
• 1.2.3 场发射器件的实用结构
• 1.3 论文选题及主要研究内容
• 1.3.1 FED的研究现状及存在的问题
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 第二章 场发射阴极工艺设计
• 2.1 发射体材料的选取及分析
• 2.1.1 材料的选择
• 2.1.2 尺寸的选择
• 2.1.3 纳米金刚石粉的分析
• 2.2 衬底材料的选取及处理
• 2.2.1 衬底材料的选取
• 2.2.2 衬底材料的表面处理
• 2.3 阴极制备工艺的设计
• 2.3.1 工艺流程的设计
• 2.3.2 纳米金刚石粉的分散工艺
• 2.3.3 纳米金刚石粉的涂敷工艺
• 2.3.4 热处理工艺的设计
• 2.3.5 氢等离子体处理系统的设计
• 2.4 场发射测试系统的设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 钛基纳米金刚石涂层场发射阴极理论研究
• 3.1 电子从金属注入到金刚石
• 3.1.1 钛与金刚石的键合模型构建基础
• 3.1.2 钛与金刚石的键合模型
• 3.1.3 模型分析
• 3.2 电子在金刚石中的传导
• 3.2.1 电子的体传导机制
• 3.2.2 电子在金刚石薄膜（涂层）中的传输
• 3.3 电子从金刚石发射到真空
• 3.3.1 金刚石的负电亲和势
• 3.3.2 氢吸附金刚石的特性
• 3.3.3 金刚石/真空界面隧穿模型——F-N理论
• 3.4 整体电子传输过程
• 3.5 本章小结
• 第四章 旋涂法涂敷纳米金刚石涂层及其场发射性能分析
• 4.1 纳米金刚石的分散工艺研究
• 4.1.1 纳米金刚石的合成与性能
• 4.1.2 纳米粉体的团聚机理和分散稳定理论
• 4.1.3 纳米金刚石分散实验与结果分析
• 4.1.4 小结
• 4.2 旋涂工艺实验及样品场发射性能分析
• 4.2.1 热处理温度与分散液配方（各成分配比）对样品场发射性能的综合影响
• 4.2.2 涂敷次数（涂层厚度）与分散液配方（各成分配比）对样品性能的综合影响
• 4.2.3 热处理温度与涂敷次数（涂层厚度）对样品性能的综合影响
• 4.2.4 实验结果反映出来的问题
• 4.2.5 发光效果分析
• 4.2.6 小结
• 4.3 氢等离子体处理及其对样品场发射性能的影响
• 4.3.1 处理时间的影响
• 4.3.2 反应室压强的影响
• 4.3.3 射频功率的影响
• 4.3.4 参数筛选
• 4.3.5 氢处理对样品发光效果的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 电泳法沉积纳米金刚石涂层及其场发射性能分析
• 5.1 电泳概述
• 5.1.1 电泳原理
• 5.1.2 电泳装置及工艺过程
• 5.2 电泳液的设计
• 5.2.1 设计要求
• 5.2.2 电泳液配方
• 5.3 配方Ⅰ的沉积结果及样品性能分析
• 5.4 配方Ⅱ的沉积结果及样品性能分析
• 5.5 配方Ⅲ的沉积结果及样品性能分析
• 5.5.1 电泳时间（涂层厚度）对样品性能的影响
• 5.5.2 厚涂层样品的性能分析
• 5.5.3 薄涂层样品的性能分析
• 5.5.4 发射电流与发光效果对比分析
• 5.5.5 小结
• 5.6 氢处理及其对样品性能的影响
• 5.6.1 处理时间的影响
• 5.6.2 射频功率的影响
• 5.6.3 反应室压强的影响
• 5.6.4 参数筛选
• 5.6.5 氢处理对发光效果的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 涂敷工艺比较
• 6.2 工作总结
• 6.3 存在的问题以及今后的工作方向
• 参考文献
• 在读期间发表的与论文相关的科研成果
• 致谢