臺灣博碩士論文加值系統

本實驗之目的在驗證單根直立式奈米碳管應用於三極結構場發射電子源之可行性，並探討不同的閘極孔徑及碳管高度的差異對三極式元件場發射特性的影響。製程上藉由電子束微影(e-beam lithography)技術於三極結構閘極孔洞內作定位、顯影及曝光，接著蒸鍍上10 nm之鎳催化金屬，在光阻移除後可在閘極孔洞內留下直徑小於100 nm之鎳催化劑奈米點，之後利用電感耦合式電漿輔助化學氣相沉積法(ICP-CVD)成長出單根且具有準直性之奈米碳管。在場發射特性之結果上輔以電腦模擬軟體Simion 3D 7.0作分析。
場發射特性量測乃是將試片承載於受壓電材料控制之微動平台後於掃瞄式電子顯微鏡內進行，藉由此量測設備可將陽極鎢探針準確移動至閘極孔前方，以利接收場發射電子。實驗結果顯示三極式奈米碳管場發射元件之場發射行為是由閘極所控制，而非如二極式(diode)是由陽極所控制，且場發射行為之進行與否取決於電子是否能越過位能障之限制，與外加電壓之控制方式無明顯關係，同時閘極孔洞內之單根奈米碳管有效避免屏蔽效應(screen effect)之影響，對提升元件之場發射特性有明顯幫助。實驗結果也發現孔徑愈小之元件由於碳管與閘極間距離較小，故起始電壓較低。對同一個三極元件而言，在碳管高度未達臨界值之前，起始電壓會隨著碳管高度增加而減少。
為了能將場發射電子束聚焦以作為電子束微影設備等之電子源，在原本三極式元件之閘極上方再增加一道聚焦電極，藉由電腦模擬軟體Simion 3D 7.0對電子束聚焦之能力作模擬後發現最小聚焦點直徑可達100 nm以下，實際之四極式奈米碳管場發射元件之場發射特性則待進一步研究。

摘要
誌謝
圖表目錄
第一章 緒論 -------------------------------------------------------1
1.1 奈米碳管的構造 -------------------------------------------1
1.2 奈米碳管的種類 -------------------------------------------3
1.3 奈米碳管的合成 -------------------------------------------4
1.3.1 電弧放電法 -----------------------------------------4
1.3.2 雷射蒸發法 -----------------------------------------4
1.3.3 化學氣相沉積法 -------------------------------------5
1.4 奈米碳管的場發射應用 -------------------------------------7
1.5 研究動機與目的 -------------------------------------------8
第二章 文獻回顧 --------------------------------------------------10
2.1 實驗研究回顧 --------------------------------------------10
2.2 模擬研究回顧 --------------------------------------------17
第三章 理論與研究方法 --------------------------------------------24
3.1 場發射 --------------------------------------------------24
3.1.1 場發射理論 ----------------------------------------24
3.1.2 Fowler-Nordheim 方程式 ----------------------------25
3.1.3 場發射量測設備 ------------------------------------28
3.2 電子束微影(e-beam lithography) -----------------------------31
3.2.1 設備 ----------------------------------------------31
3.2.2 研究方法 ------------------------------------------32
3.3 ICP CVD(電感耦合式電漿輔助化學氣相沉積法) --------------34
3.3.1 設備 ----------------------------------------------34
3.3.2 研究方法 ------------------------------------------36
3.4 Simion 3D 7.0電腦模擬軟體 --------------------------------38
3.4.1 拉卜拉斯方程式 ------------------------------------38
3.4.2 模擬參數之建立 ------------------------------------41
第四章 結果與討論 ------------------------------------------------44
4.1 三極式奈米碳管場發射元件之場發射特性 --------------------44
4.1.1 不同之陽極/陰極間距 -------------------------------44
4.1.2 不同之閘極控制模式 --------------------------------46
4.1.3 屏蔽效應之影響 ------------------------------------47
4.1.4 不同閘極孔徑之影響 --------------------------------51
4.1.5 不同碳管高度之影響 --------------------------------53
4.2 四極式奈米碳管場發射元件之電腦模擬 ----------------------57
4.2.1 陰極與閘極間絕緣層厚度(L1)之影響 ------------------58
4.2.2 閘極與聚焦電極間絕緣層厚度(L2)之影響 --------------59
4.2.3 操作距離(L3)之影響 --------------------------------60
4.2.4 碳管高度(L4)之影響 --------------------------------61
4.2.5 閘極厚度(L5)之影響 --------------------------------62
4.2.6 聚焦電極厚度(L6)之影響 ----------------------------63
4.2.7 孔徑(d)之影響 -------------------------------------64
4.2.8 閘極電壓(E1)之影響 --------------------------------65
4.2.9 聚焦電極電壓(E2)之影響 ----------------------------66
第五章 總結與未來展望 --------------------------------------------69
5.1 總結 ---------------------------------------------------69
5.2 未來展望 -----------------------------------------------71
第六章 參考文獻 -------------------------------------------------72

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