CH4 對氧化鋅場發(fā)射性能的影響

王金嬋，劉 博，宋 璐，張立文

(河南科技大學電子信息工程學院，河南洛陽471023)

0 引言

在電真空器件中，陰極是必不可少的組成部分，陰極發(fā)射電子的過程在整個器件的工作中起著至關重要的作用。場致電子發(fā)射與熱陰極電子發(fā)射相比，具有陰極無需加熱，可以在室溫下工作、可以獲得更高的開關速度或更高的工作頻率等優(yōu)點，因此，得到了廣泛的關注。氧化鋅是一種寬帶半導體材料，由于其具有負電子親和勢，高的機械強度和良好的化學穩(wěn)定性等特性，也被認為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ膱霭l(fā)射陰極材料。近年來，各種形貌的氧化鋅被合成并作為陰極材料應用于場發(fā)射器件中［1－4］。

隨著氧化鋅作為冷陰極材料的應用，場發(fā)射電子器件取得了很大的進展。但是與熱陰極發(fā)射相比，場發(fā)射目前在空間上的均勻性和時間上的穩(wěn)定性方面都相差很遠，這是由電子發(fā)射原理決定的。在熱陰極電子發(fā)射過程中，對于給定的陰極材料，只要陰極溫度足夠高，發(fā)射電流密度的大小與發(fā)射體本身基本無關。而場發(fā)射是一種與固體－真空界面勢壘相關的表面現(xiàn)象。在場發(fā)射中，為了產(chǎn)生有效發(fā)射，發(fā)射體表面電場非常強。調(diào)節(jié)界面的性質(zhì)就可以影響到場發(fā)射的特性，因此，發(fā)射電流除了受到陽極和柵極電壓的控制外，更取決于發(fā)射體本身的幾何形狀以及逸出功等參數(shù)和固有屬性。因此，制備具有穩(wěn)定發(fā)射性能的發(fā)射體，是場發(fā)射陰極的核心技術所在。

而在場發(fā)射的研究中，不管是過去的金屬微尖陰極還是現(xiàn)在的氧化鋅厚膜型陰極，環(huán)境氣體對器件特性的影響一直都備受關注。尤其當陰極材料納米化以后，會出現(xiàn)小尺寸效應、量子效應、宏觀量子隧道效應和表面與界面效應等納米效應。因此，環(huán)境氣體的吸附更為容易。吸附氣體后的材料性能往往呈現(xiàn)出一定的變化，從而改變其場發(fā)射性能。對于場發(fā)射器件，環(huán)境氣體在陰極表面的吸附會改變陰極的表面電荷分布以及功函數(shù)［5］。對于場發(fā)射材料氧化鋅，已經(jīng)有很多試驗表明了其發(fā)射電流隨工作時間的跌落［6－7］。對此的解釋也有很多，除了氧化鋅機械結(jié)構的損壞、發(fā)射體與基底接觸電阻的發(fā)熱等因素以外，電子轟擊陽極或離子轟擊陰極造成的放氣使器件內(nèi)殘余氣體壓強增加也是造成陰極場發(fā)射電流跌落的一個非常重要方面［8］。文獻［9］研究表明:納米氧化鋅發(fā)射電流穩(wěn)定性與系統(tǒng)內(nèi)氣體壓強之間存在必然的關系，這說明了殘余氣體影響了氧化鋅的發(fā)射性能。因此，為使納米材料場發(fā)射陰極更好地走上商業(yè)化之路，需要更好地了解發(fā)射材料對器件內(nèi)存在的各種氣體的敏感度。

因此，本文從氧化鋅場發(fā)射器件中存在的殘余氣體成份出發(fā)，研究CH4對氧化鋅陰極場發(fā)射性能的影響，并在此基礎上提出改善氧化鋅場發(fā)射器件性能的方法。

1 試驗

本文所用的氧化鋅場發(fā)射器件結(jié)構是二級結(jié)構，如圖1 所示。在圖1 中，陰極電極為銀電極，氧化鋅冷陰極材料通過絲網(wǎng)印刷的方法沉積在銀電極上，制備的氧化鋅發(fā)射體的掃描電鏡圖如圖2 所示，梳狀氧化鋅的梳齒為準一維材料，利于電子從其尖端的發(fā)射。氧化鋅場發(fā)射器件的基板為帶有ITO 電極的玻璃基板，基板上預留直徑8 mm 的孔，以備器件通過連接管道與真空系統(tǒng)間進行真空密封。陰極和陽極基板通過玻璃粉在430 ℃的大氣環(huán)境下進行封裝。

圖1 氧化鋅場發(fā)射器件二極結(jié)構

圖2 梳狀氧化鋅結(jié)構SEM 圖

封裝完成的氧化鋅場發(fā)射二極器件通過真空連接管道與真空分系統(tǒng)相連，連接處采用環(huán)氧樹脂進行密封，試驗裝置圖如圖3 所示。在CH4進入真空系統(tǒng)前，首先對氧化鋅場發(fā)射器件進行測試，包括場發(fā)射的外加電場與發(fā)射電流曲線以及在恒定陽極電壓下工作電流的穩(wěn)定性等。之后，打開真空分析室上針閥，該針閥連接CH4高純氣體，通過調(diào)節(jié)針閥，可以控制進入真空系統(tǒng)內(nèi)CH4的流量，在分子泵的共同作用下使真空分析室內(nèi)氣體壓強穩(wěn)定在某一水平。然后，記錄在一定CH4氣體環(huán)境下，氧化鋅場發(fā)射器件工作性能的變化情況。

圖3 試驗裝置圖

2 結(jié)果與討論

將氧化鋅場發(fā)射器件安裝于真空系統(tǒng)后，首先對其發(fā)射性能進行了測試，然后將所加電場穩(wěn)定在7.12 V/μm，對應陽極收集到的電流約105 μA。圖4 為氧化鋅場發(fā)射電流在充入CH4前后的變化，每5 s 記錄一次陽極電流數(shù)據(jù)，如圖4 中“UHV”段所示，由圖4 可以看出陽極電流非常穩(wěn)定。記錄30 min 后，通過針閥將CH4引入系統(tǒng)內(nèi)，引入CH4的壓強依次為:5.0 ×10－4Pa、1.1 ×10－3Pa、5.0 × 10－3Pa、1.1 × 10－2Pa 和5.0 ×10－2Pa，15 min 后關閉針閥，停止充氣，并繼續(xù)記錄器件陽極電流的變化情況。在此過程中，陽極電流變化如圖4 所示。由圖4 可以看出:引入CH4后，氧化鋅發(fā)射電流明顯增加，并且隨著充入CH4壓強的增加在相同時間內(nèi)發(fā)射電流的增加越多。

圖4 氧化鋅場發(fā)射電流在充入CH4 前后的變化

CH4分子吸附后，ZnO 陰極表面功函數(shù)減小，從而使得陽極電流在相同電壓下有所增加［10］。具體講CH4的吸附使氧化鋅體系的總態(tài)密度向?qū)Х较蛞苿樱@會影響費米能級處的態(tài)密度及能帶結(jié)構。也就是CH4分子吸附下費米面上方的態(tài)密度增多，能夠進入真空的電子的比例變多，同時態(tài)密度向低能量區(qū)域即向費米面下方發(fā)生移動。也就是，費米能級向?qū)Оl(fā)生了漂移，這就會使表面的勢壘高度下降，HOMO 能級提升，功函數(shù)減小。因此，CH4分子吸附后，電子隧穿表面勢壘而發(fā)射到真空的幾率變大，且勢壘降低，非常有利于氧化鋅的電子發(fā)射。CH4吸附過程中，與ZnO 分子相比，CH4分子表現(xiàn)的是缺電子集團，吸引ZnO 體塊中電子到其表面。因此，吸附CH4后，ZnO 表面電子數(shù)量增加，發(fā)射電子的能力增強。

從圖4 還可以看出:在15 min 的充氣時間內(nèi)，陽極電流并不是隨著充氣時間增加而持續(xù)增加，而是先出現(xiàn)迅速增加，在20 s 左右的時間里電流呈現(xiàn)出幾乎垂直上升的趨勢，在之后的時間里緩慢增加。在氣體剛引入系統(tǒng)內(nèi)時，由于CH4的引入使得真空分析系統(tǒng)內(nèi)本來的殘余氣體被稀釋，降低了其含量，即CH4有著清洗系統(tǒng)的作用。能使ZnO 發(fā)射電流衰減的氣體成分減少，吸附于ZnO 表面的氣體釋放，其發(fā)射電流可以得到提高。隨著充氣時間增加，系統(tǒng)內(nèi)原有氣體成分達到平衡，ZnO 發(fā)射電流增加緩慢。由于系統(tǒng)內(nèi)CH4濃度增加，增加了其在ZnO 表面的吸附，這種吸附使ZnO 體內(nèi)電子向表面轉(zhuǎn)移，增強了ZnO 發(fā)射電子的能力。

在充氣過程中，電流的波動范圍明顯比充氣前波動范圍大。這主要是由于CH4在氧化鋅表面的吸附是物理吸附，在充氣過程中，CH4不斷引入系統(tǒng)以平衡分子泵抽出的氣體。因此，ZnO 表面吸附的CH4也在吸附和解吸中趨于動態(tài)的平衡。因此，ZnO 的發(fā)射電流并不是非常穩(wěn)定。停止充氣后，陽極電流逐漸減小，在固定陽極電場下，經(jīng)過長時間工作，ZnO 發(fā)射電流可以恢復充氣之前的值。停止充CH4后，由于分子泵持續(xù)工作，系統(tǒng)內(nèi)CH4的壓強不斷減小，從而使得吸附于ZnO 表面的CH4逐漸解吸，解吸附后ZnO 陰極表面的功函數(shù)恢復原來的數(shù)值。故而ZnO 發(fā)射電流也逐漸恢復至充氣前的值。

系統(tǒng)內(nèi)充入CH4前后，ZnO 場發(fā)射的電流與所加電場(I－E)曲線如圖5 所示，由圖5 可以看出:引入CH4后，ZnO 場發(fā)射的開啟電場減小，相同電場下發(fā)射電流增加。因此，可以得出CH4對ZnO 的場發(fā)射具有增強作用。

基于以上討論及得到的結(jié)果，考慮到CH4對ZnO 場發(fā)射具有增強作用，因此可以在排氣過程中引入CH4，一方面利于排氣，另一方面可以保護ZnO 陰極，減少其與其他殘余氣體相互作用的幾率，從而提高其發(fā)射電流的穩(wěn)定性和可靠性。

具體措施如下:按照相同的工藝同批次制備兩個ZnO 場發(fā)射器件，在給樣品1 排氣過程中始終通入CH4的壓強為2 ×10－1Pa，樣品2 通入CH4的壓強為2 ×10－3Pa，樣品3 不通入CH4。圖6 所示為3個樣品管經(jīng)過老練等處理后的工作穩(wěn)定性情況。從圖6 可以看出充入CH4對ZnO 場發(fā)射器件工作電流的穩(wěn)定性有一定的效果。

圖5 氧化鋅在不同壓強的CH4 環(huán)境下場發(fā)射性能

圖6 封裝氧化鋅場發(fā)射器件中引入CH4 后的穩(wěn)定性

3 結(jié)論

將氧化鋅場發(fā)射器件通過預留的孔與真空分析系統(tǒng)相連，此時真空分析系統(tǒng)腔體與ZnO 場發(fā)射器件的腔體連為一體。通過真空系統(tǒng)上的針閥將不同壓強的CH4引入系統(tǒng)，觀察到ZnO 場發(fā)射開啟電場降低，發(fā)射電流在相同電場下有明顯的增加。隨著引入CH4壓強的增加，ZnO 發(fā)射電流在相同時間內(nèi)增加的值也隨之增加。ZnO 發(fā)射電流增加的機理主要是CH4分子吸附后，ZnO 體系的總態(tài)密度向?qū)Х较蛞苿?，也就是CH4分子吸附下費米面上方的態(tài)密度增多，能夠進入真空的電子的比例變多，同時態(tài)密度向低能量區(qū)域也就是向費米面下方發(fā)生移動。這就會使表面的勢壘高度下降，HOMO 能級提升，功函數(shù)減小。因此，CH4分子吸附后，有利于氧化鋅的電子發(fā)射。因此，本文提出在器件排氣過程中，將一定量的CH4引入器件，ZnO 在CH4環(huán)境下發(fā)射性能可以得到一定改善，但是若CH4被抽除則ZnO 的發(fā)射電流會相對降低。因此，在實際的器件中，通過該方法改善ZnO 發(fā)射性能需要保證器件內(nèi)吸氣劑對CH4的抽速盡可能低。這種分析方法，還可以推廣至其他陰極材料的場發(fā)射器件，以及其他類型的真空電子器件。

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