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研究生:廖克斌
論文名稱:具有自我聚焦特性之奈米碳管場發射元件之電腦模擬研究
論文名稱(外文):Simulation studies of self-focusing Carbon Nanotube Field Emitter
指導教授:胡瑗胡瑗引用關係林滄浪
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:139
中文關鍵詞:奈米碳管場發射模擬聚焦
外文關鍵詞:CNTField emissionSimulationfocusing
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在本論文中不同於以往將奈米碳管塗佈成長條型,或是成長在一個凹洞內,我們設計了一個將奈米碳管塗佈成環形的環狀結構使其具有自動聚焦的效果。由於是具有環形對稱的結構,可以產生良好的自我聚焦的效果,不需要額外加上聚焦電極。而且採用類似undergate 的架構使得可以利用印刷法製作結構並利用塗佈奈米碳管漿料的方式來製作發射電極,藉以降低製作成本。同時,因這種結構是採用環形的奈米碳管塗佈,因此比起發射電極在中心,閘極在外圍的結構有著較大的發射面積,以及在同樣的電壓下可以有較大的發射電流大小。
為了瞭解這個結構的特性,我們利用MAGIC模擬程式模擬了將奈米碳管塗佈於陰極圓弧轉角,並且在中心有突出的閘極。從結果中可以發現此時由於電子束是過度傾向內的方向發射,所以需要一個負的閘極電壓來將使電子束稍微推開以剛好聚焦到陽極上,避免over focus。而藉由改變不同閘極的高度,我們可以發現當閘極高度改變在0.5μm以內時對於聚焦效果的影響很小。當奈米碳管塗佈在陰極圓弧轉角時,最佳聚焦電壓為-15 V,weighted radius大小為2.1μm,電流大小為17μA(陽極距離陰極95μm,陽極電壓1000 V)。
由於塗佈在轉角上在製作上較複雜,所以我們模擬了將奈米碳管塗佈在陰極平台面上緊鄰圓弧轉角。此時電子束的發射方向大致垂直表面,所以我們需要一個正的閘極電壓將其拉向內以達成聚焦的效果。雖然在奈米碳管環狀塗佈的線寬度為0.4μm時有非常好的聚焦效果,但是相對而言也要較高的製程精準度,而且發射電流大小也是較小的;而寬度為5μm時在同電壓下有著最大的發射電流大小,但是由於寬度過大,需要很大的閘極負電壓才能將pixel關閉(將發射電流降至極低)。因此可以發現寬度為1μm附近有著較佳的結果,聚焦效果上符合顯示器的要求,製成上也不會過於複雜。在有中心突出的閘極的結構下,將奈米碳管塗佈於陰極平台面上且寬度為1μm,在45 V的最佳聚焦電壓時電子束在陽極的weighted radius大小為1.6μm,電流大小為61μA。
除了模擬中心位置有突出閘極的情形,我們也模擬沒有突出閘極的情形,藉以探討進一步簡化製程的可能性。我們首先模擬了介電層厚度1.5μm的架構,比較有無突出閘極的結果。可以看到兩者的差異不大,因此在介電層很薄時是可以把中心突出的閘極去掉。接著我們比較了同樣是沒有突出閘極的結構,即under gate之閘極,但是中心開口大小不同的情形。可以發現當中心開口太小如5μm,此時閘極對於聚焦幾乎是沒有作用。當中心開口大小增加到13μm的時候,此時的最佳聚焦電壓和weighted radius都會比開口為5μm小。當開口持續增加時,雖然weighted radius的大小也會跟著增加,但是幅度並不大,而且發射電流會增加,這是因為當陰極開口大小增加時,整體的發射區域面積也會跟著增加。不過開口增加的大小也有一定的限度,不然會增加聚焦上的困難度,因為最佳聚焦電壓會隨洞口增大而快速增大,所以選擇適當的開口大小是有其必要的。最後我們模擬了不同介電層厚度的情形,很明顯的當介電層越厚時所需要的聚焦電壓越高,這是因為越厚的介電層使陰極和閘極的距離增加,介電層的厚度在3μm以下較適合,太厚的話就需要加入中心突出閘極以免需要高的閘極操作電壓。把介電層厚度為1.5μm的結果和有中心突出閘極的情形相比,此時weighted radius相同,發射電流大小相近,但最佳閘極電壓則較低。在最佳聚焦電壓為30 V的weighted radius為1.6μm,電流大小為67μm。研究結果顯示此種新設計構造簡單,可以簡化製程,及具有良好之自我聚焦特性,可應用於製作高解析度顯示器。
摘要 Ⅰ
致謝 Ⅳ
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 VIII
第一章 導論
1-1 平面顯示器簡介 2
1-2 奈米碳管的場發射特性 4
1-3 場發射顯示器簡介 9
1-4 研究目的 17
第二章 文獻回顧
2-1 場發射實驗研究回顧 19
2-2 場發射模擬研究回顧 30
第三章 場發射原理與模擬研究方法
3-1 場發射原理 42
3-2 場發射模擬方法 47
3-2-1 MAGIC模擬軟體程式 47
3-2-2 研究方法 47
3-2-3 格網畫法 50
3-2-4 模擬參數設定 50
第四章 模擬結果與討論
4-1 轉角半徑為0.5 μm,發射區域為陰極轉角場發射元件 65
4-1-1 轉角半徑為0.5 μm,閘極和CNT同高,發射區域為陰極轉角場
發射元件 65
4-1-2 轉角半徑為0.5 μm,閘極高度變化,發射區域為陰極轉角場
發射元件 69
4-2轉角半徑為0.5 μm,發射區域為在陰極平台面上的環形奈米碳管塗佈 77
4-2-1 轉角半徑為0.5 μm,發射區域為在陰極平台面上的寬0.4 μm
的環形塗佈 77
4-2-2轉角半徑為0.5 μm,發射區域為在陰極平台面上的寬1 μm
的環形塗佈 79
4-2-3轉角半徑為0.5 μm,發射區域為在陰極平台面上的寬5 μm
的環形塗佈 80
4-2-4綜合比較 81
4-3轉角半徑為0.2 μm,發射區域為在陰極平台面上的環形奈米碳管塗佈 91
4-3-1轉角半徑為0.2 μm,發射區域為在陰極平台面上的寬0.4 μm
的環形塗佈,位置和轉角邊緣距離0.5 μm 91
4-3-2轉角半徑為0.2 μm,發射區域為在陰極平台面上的寬0.4 μm
的環形塗佈,位置和轉角邊緣距離0.2 μm 93
4-4 發射區域為塗佈在陰極轉角及陰極平台面上的環形區域 100
4-4-1轉角半徑為0.5 μm,發射區域為塗佈在陰極轉角及陰極平台面上寬 1 μm環形分佈 100
4-4-2轉角半徑為0.5 μm,發射區域為塗佈在陰極轉角及陰極平台面上寬0.4 μm環形分佈 102
4-5 無突出閘極的Undergate結構 115
4-5-1 有無突出閘極比較,介電層厚度1.5 μm 115
4-5-2介電層厚度1.5 μm,不同中心開口寬度比較 116
4-5-3 不同介電層厚度,無突出閘極結構 117
第五章 結論 132
參考文獻 135
參 考 文 獻
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