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研究生:劉旻利
論文名稱:奈米碳管場發射特性研究
指導教授:林滄浪柳克強
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:109
中文關鍵詞:場發射奈米碳管顯示器吸附氣體
外文關鍵詞:hysteresiscarbon nanotubefield emission displayadsorbatesfield emissiondisplay
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摘 要
本論文為探討奈米碳管的場發射特性,主要研究吸附氣體對奈米碳管的影響;並建立一套實驗系統可在同一真空腔體進行電漿處理以及場發射量測,可避免試片因移出腔體與空氣接觸造成影響。
研究結果發現,當對塗有奈米碳管的陰極在約1×10-6 torr的真空下施加數百伏特正電壓約10分鐘,會使極化吸附在碳管上的氣體去極化甚至脫離;在施加正電壓處理後,第一次以三角波形電壓量測場發射電流時,可發現hysteresis;因此吸附氣體被電場極化會降低碳管場發射的起始電壓。
另外也使用電漿處理塗有奈米碳管的陰極,利用電漿中的離子轟擊可去除極化的吸附氣體;研究發現在電漿處理後,第一次三角波形電壓量測場發射電流時,因為吸附氣體被去極化或脫離,使起電壓升高(從原先一般的-140 V升至-210 V);但在第二次三角波形電壓量測場發射電流時,起始電壓降回至比未經電漿處理時低的值(-100 V),同時經電漿處理過的場發射電流隨電壓變化可分成三區;在電壓剛增加的第一段,發現電流比未經處理的大,且符合F-N場發射電流公式;當發射電壓在-150 V到約-210 V區間,場發射電流只上升少許,有飽和現象;當電壓上升大於-210 V時,場發射電流會再隨電壓上升而上升。此現象可能因電漿處理後,原先吸附在奈米碳管的氧分子等不利場發射的氣體分子,經電漿處理清除而可吸附水分子,使增進場發射;當場發射電流大至某程度時,可能因熱度等因素,使極化吸附載尖端的水分子去極化,失去增進場發射效應所致。因此電漿處理可使電壓在-160 V以下的場發射電流增大許多,且此效應至少在連續場發射操作下,可維持30分鐘以上。
目 錄
摘要---------------------------------------------Ⅰ
致謝詞---------------------------------------------Ⅱ
目錄---------------------------------------------Ⅲ
圖表目錄-----------------------------------------Ⅵ
第一章:導論---------------------------------------1
1-1 奈米碳管的簡介------------------------------1
1-1-1奈米碳管的分類
1-2 奈米碳管的性質------------------------------2
1-2-1 奈米碳管的結構
1-2-2 奈米碳管的電性
1-2-3 奈米碳管的韌性
1-3 奈米碳管的應用------------------------------6
1-4 研究動機和目----------------------------------8
第二章:文獻回顧—奈米碳管的製作與純化-------------9
2-1碳管的製作方法-------------------------------9
2-1-1 電弧放電法
2-1-2 化學氣相沈積法成長奈米碳管
2-2 奈米碳管的純化------------------------------16
第三章:文獻回顧—奈米碳管的場發射特性和應用----18
3-1 奈米碳管的場發射特-------------------------18
3-2 奈米碳管場發射電流的飽和效應----------------20
3-2-1奈米碳管場發射電流的飽和效應
3-3-2 吸附氣體輔助場發射與吸附位置
3-2-3 吸附氣體輔助場發射原理
3-3 溫度對奈米碳管場發射特性影響-------------------22
3-4 奈米碳管在做場發射源的使用壽命問題----------24
3-5 電漿處理奈米碳管----------------------------------26
3-6奈米碳管場發射特性的應用----------------------31
3-6-1奈米碳管場發射顯示器的結構
3-6-2奈米碳管場發射顯示器製程方法
第四章:場發射原理--------------------------------35
4-1 場發射原理----------------------------------------------35
4-2 FOWLER-NORDHEIM equation-------------------36
第五章:實驗方法----------------------------------------------42
5-1實驗系統簡介----------------------------------------------------42
5-2試片的製作-------------------------------------------------51
5-3標準化的實驗步驟---------------------------------------52
5-3-1場發射量測實驗步驟
5-3-2電漿處理實驗步驟
5-4實驗分析--------------------------------------------------56
5-4-1場發射電流的IV曲線(IV curve)
5-4-2 FOWLER-NORDHEIM的特性曲線
第六章:實驗結果與討論----------------------------59
6-1場發射特性研究------------------------------------59
6-1-1對陰極施加正電壓的影響
6-1-2 經正電壓操作後功函數的變化
6-1-3 對陰極操作做負電壓的影響
6-1-4真空環境與hysteresis
6-1-5不同氣體對碳管場發射的影響
6-1-6 殘餘氣體
6-1-7氣體極化討論
6-2電漿處理奈米碳管----------------------------------------75
6-2-1碳管場發射對電漿處理時間的關係
6-2-2正負偏壓對場發射的影響
6-2-3 Ar電漿處理與hysteresis的關係
6-2-4 Air+Ar電漿處理時間與hysteresis的關係
6-2-5 吸附氣體的再極化
6-2-6電漿處理使得飽和現象變得更明顯
6-2-6-1飽和現象變得明顯
6-2-6-2 長時間的場發射量測使飽和現象減弱
6-2-6-3 對陰極施加正電壓可減弱飽和現象
6-2-6-4 高電場場發射可減弱飽和現象
6-2-6-5 在飽和區段施加直流電壓
6-2-6-6飽和現象的消失
6-2-7 場發射電流的恢復
6-2-8 電漿處理與場發射電流變化
6-2-9 電漿處理對奈米碳管場發射影響討論
6-3 吸附氣體對場發射影響模式推估-------------------------103
6-3-1 破真空後第一次場發射吸附氣體影響模式推估
6-3-2 電漿處理後第一次場發射吸附氣體影響模式推估
第七章 結論--------------------------------------------------------106
reference--------------------------------------------------------------108
圖表目錄
圖1-1 四種碳管的TEM圖……………………………………………1
圖1-2 單層奈米碳管結構圖…………………………………………3
圖1-3 受應力產生縐折的奈米碳管…………………………………5
圖1-4 縐折長度與碳管厚度約呈線性關係…………………………7
圖1-5 碳管受過強的應力而斷裂……………………………………8
圖2-1 電弧法機台結構圖…………………………………………9
圖2-2 電弧法產生的奈米碳管SEM圖……………………………10
圖2-3 (a).為125μm粗的光纖,上面長滿了奈米碳管;(b)為(a)的放大圖;(c)(d)(e)(f)為可長出垂直於任何曲面的奈米碳管……11
圖2-4熱解法結構圖………………………………………………12
圖2-5化學氣象沈積結構圖………………………………………13
圖2-6碳管成長圖…………………………………………………14
圖2-7在PECVD上碳管成長圖……………………………………15
圖3-1四種奈米碳管的比較………………………………………18
圖3-2場發射電流飽和效應…………………………………………19
圖3-3……………………………………………………………………21
圖3-4………………………………………………………….………22
圖3-5溫度對場發射電流的影響……………………………………23
圖3-6電流對時間 b.高電壓的電流對時間 c.做過b的實驗後電極的SEM圖……………………………………………………………24
圖3-7(b)為一般用CVD成長的,(c)為CVD成長後再用電漿處理,(a)為反覆b、c步驟所成長的奈米碳管………………………25
圖3-8(a).經過電漿處理後,奈米碳管的尖端被蝕刻掉了;(b).被蝕刻的碳管壁並沒有變細。………………………………………26
圖3-9 a-C 經過Ar電漿處理後的場發射曲線圖……………………27
圖3-10 N2電漿對a-C的處理…………………………………………28
圖3-11 a-C用不同的沈績能量與不同氣體的電漿處理後,對場發射截止電壓作比較……………………………………………...………29
圖3-12 a-C用不同氣體的電漿處理後,功函數的變化……...………30
圖3-13場發射顯示器二極結構圖…………………………………31
圖3-14工研院電子所二極全彩場發射顯示器………………………32
圖3-15 場發射顯示器三極結構圖……………………………………33
圖4-1 材料表面能階圖……………………………………………35
圖4-2 半導體表面能階圖…………………………………………40
圖5-1………………………………………………………………42
圖5-2系統圖…………………………………………………………43
圖5-3控制器…………………………………………………………44
圖5-4 Ar電漿與電極…………………………………………………45
圖5-5 電性量測系統………………………………………………46
圖5-6 場發射量測程式,三角波控制介面。…………………………47
圖5-7 電流計保護程式………………………………………………47
圖5-8 場發射量測程式,直流電壓控制介面………………………48
圖5-9場發射量測程式,階梯式電壓控制介面………………………48
圖5-10加熱電極……………………………………………………49
圖5-11加熱電極結構圖……………………………………………49
圖5-12移動電極……………………………………………………50
圖5-13工研院電弧法生產的多層奈米碳管…………………………51
圖5-14奈米碳管發射極,以網印方式製作於玻璃基版的銀電極上…52
圖5-15場發射IV曲線;陰陽極距………………………………56
圖5-16 FOWLER-NORDHEIM的特性曲線………………………57
圖6-1 完全未做過任何處理的試片於真空………………………59
圖6-2 對陰極施加不同正電壓10分鐘後的第一次場發射電流曲…61
圖6-3 經正電壓操作後場發射電流下降……………………………..61
圖6-4 正電壓操作後取上升電壓時的F-N特徵圖…………………63
圖6-5 加負電壓可使場發射電流電流和起始電壓做小幅度的恢…65
圖6-6 靜置在真空中(5×10-7torr ),一段時間後並無磁滯現象的出現,只有靜置24小時的電流變化較為劇烈,但無電滯現象…66
圖6-7一開始為3×10-6 torr,12小時後磁滯曲線又出現……………67
圖6-8 Ar對碳管場發射的影響…………………………………….69
圖6-9 不同頓氣對場發射的影響…………………………………….70
圖6-10 腔體在2×10-7 torr真空中,所含的氣體成分……………….71圖6-11於-250V時的場發射電流值與電漿處理時間的比較。處理時間在1秒時的電流值,為未處理的場發射電流值………………………………………………………………….74
圖6-12正偏壓與負偏壓的電漿處理對場發射電流的影響………77
圖6-13電漿處理後場發射量測的第1個三角波,圖中標示為處理時間…………………………………………………………………….79
圖6-14電漿處理後場發射量測的第5個三角波,圖中標示為處理時間………………………………………………………………..80
圖6-15 電漿處理後,場發射量測第1、5次三角波的截止電壓…81
圖6-16電漿處理後場發射量測的第1個三角波,圖中標示為累計的處理時間…………………………………………………………..84
圖6-17電漿處理後場發射量測的第5個三角波,圖中標示為累計的處理時間………………………………………………….………..85
圖6-18電漿處理後,場發射量測第1、5次三角波的截止電壓.……86
圖6-19經電漿處理後,施加固定電壓看場發射電流變化…………..88
圖6-20 經電漿處理後飽和現象變明顯。……………………......……91
圖6-21飽和區段經長時間後操作後斜率逐漸變大,最後變得和第三段曲線一樣……………………………….………………………..93
圖6-22對陰極施加正偏壓,使第四段曲線消失……….…………96
圖6-23經過Ar電漿處理後做場發射量測,啟動電壓逐漸變高;在經過-300 V的操作後,啟動電壓又再度上升。………………….……97
圖6-24 經過Ar電漿處理後飽和現象變明顯;對陰極施加-160 V與-190 V的直流電壓,觀測場發射電流的變化。……………………98
圖6-25 經過電漿處理後飽和現象變明顯,在空氣大氣壓下靜置兩天後,場發射電流恢復致原本的場發射曲線。………………………99
圖6-26在通入空氣後,場發射電流恢復……………………………100
圖6-27 經電漿處理後,在飽和區以後(-250 V)的場發射電流變化小;在飽和區前(-150 V)的場發射電流逐漸變大。…………….…101
圖6-28破真空後第一次場發射量測…………….…………………..103
圖6-29電漿處理後的場發射量測………….…………………..105
表目錄
表5-1 真空元件耐溫表…………………………………………53
Reference
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