Si-TaSi2共晶自生复合场发射材料的组织与性能

论文摘要

当前场致发射材料研究的热点主要有半导体硅、金刚石薄膜以及碳纳米管等。Si-TaSi2共晶自生复合材料作为半导体金属共晶材料（SME）之一,具有较低的功函数、良好的电传输特性和自生肖特基结等特点,被认为是具有良好的应用前景的场发射材料之一。本文采用电子束区熔（EBFZM）定向凝固技术制备Si-TaSi2共晶自生复合场发射材料。借助金相技术、电镜技术、图象处理技术等多种分析测试手段,考察了Si-TaSi2共晶定向凝固组织演化规律和Si-TaSi2共晶自生复合材料的场发射性能。 首先研究了不同的凝固速率下制得的Si-TaSi2自生复合材料的凝固组织特征,随着凝固速率的增大,组织明显得到细化:TaSi2纤维的直径d变小,纤维间距λ变小,与此同时面密度Nr增大,体积分数V%增大;采用波谱分析和金相分析的方法对共晶体中相的组成进行了研究:在透射电镜上进行选区电子衍射,明确了Si基体和TaSi2纤维之间的位相关系为【011】Si//[0001】TaSi2。（022）Si//（012 0）TaSi2;采用零功率法固定试样凝固过程中的固液界面,得到了固液界面的演化规律,即随着凝固速率的增大,固液界面经历从平界面→胞状界面→平界面的演化过程。并对小平面相/非小平面相的共生动力学和TaSi2相的小平面-非小平面转变机理进行了研究。 依据选择性刻蚀原理,探索了Si基尖锥形TaSi2场发射阵列的制作工艺,并测试了样品的场发射性能,初步明确了材料性能、凝固组织、工艺参数之间的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 定向凝固技术的发展
• 1.1.1 传统的定向凝固技术
• 1.1.2 新型定向凝固技术
• 1.1.3 定向凝固技术的应用及凝固理论的研究进展
• 1.1.4 存在的问题及展望
• 1.2 自生复合材料基本理论
• 1.3 场发射的基本原理
• 1.3.1 隧道效应
• 1.3.2 F-N场发射公式
• 1.3.3 尖端效应
• 1.4 场发射材料的研究现状
• 1.4.1 金属场致发射材料
• 1.4.2 硅场致发射材料
• 1.4.3 金刚石薄膜场致发射材料
• 1.4.4 GaAs和GaN场致发射材料
• 1.4.5 碳纳米管场致发射材料
• 1.4.6 硅化物场致发射材料
• 1.5 选题背景及研究意义
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 实验装置和工艺
• 2.1 浮区熔炼与电子束区熔技术
• 2.2 电子束熔炼技术的应用
• 2.3 电子束区熔设备（EBFZM）
• 2.3.1 实验设备照片
• 2.3.2 设备简介
• 2.4 电子束区熔实验工艺
• 2.4.1 试样的实验前准备
• 2.4.2 电子束区熔实验工艺
• 2.5 主要工艺参数
• 2.6 金相试样制备
• 2.7 金相分析方法
• 2共晶体EBFZM凝固组织演化规律'>第3章 Si—TaSi₂共晶体EBFZM凝固组织演化规律
• 3.1 凝固组织形貌
• 3.2 棒状组织的特征尺度
• 3.3 凝固组织与工艺参数之间的关系
• 3.4 共晶体中相的组成
• 3.5 晶体中各相的生长机制
• 2纤维的位相关系'>3.5.1 Si基体TaSi₂纤维的位相关系
• 3.5.2 小平面相—非小平面相的转变机制
• 3.6 界面形态
• 3.7 界面稳定性理论
• 3.8 本章小结
• 第4章 阴极阵列的制备工艺及场发射性能测试
• 4.1 场发射性能与阴极阵列之间的关系
• 4.2 阴极阵列制备工艺的探索
• 2共晶自生复合材料的场发射性能'>4.3 Si-TaSi₂共晶自生复合材料的场发射性能
• 4.4 测试场发射性能后的组织形貌
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢