TiN作SED陰極材料的可行性研究

張玉娟 周碧文

摘 要：陰極基板是表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器件（SED）中的關(guān)鍵部分。本文首次把價格便宜、自由能低、穩(wěn)定性好的TiN用做SED的陰極材料，給出了傳導(dǎo)電流If 和發(fā)射電流Ia隨器件電壓Vf變化的關(guān)系，傳導(dǎo)電流If 隨著器件電壓Vf的升高，先迅速升高，再然后下降，最后緩慢上升；發(fā)射電流Ia隨著器件電壓Vf 的升高先緩慢增加，然后快速上升。同時給出了樣品的發(fā)光照片，證實了TiN作SED陰極材料的可行性。

關(guān)鍵詞：TiN 陰極材料 發(fā)射電流

中圖分類號：TQ152 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

SED（Surface-conduction Electron-emitter Display）是表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器件的簡稱，最開始被稱作Surfac Conduction Emitter，簡稱為SCE[1]。隨后的20年里，不同的研究者研究了金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射現(xiàn)象，這些研究工作為SED顯示器件的發(fā)展提供了重要的研究基礎(chǔ)。日本佳能公司開發(fā)了金屬氧化物（氧化鈀）、金屬有機氧化物（乙酸鈀、乙酸鎳等）作為SED器件的陰極材料。吳凱、李德杰提出了Bi2O3/C雙層模型的SCE陰極，并對其制備工藝和發(fā)射性能進行了研究[2]。孫宏博、吳勝利等人采用磁控濺射方法制作了PdO膜和ZnO膜作為SED陰極，研究了導(dǎo)電膜材料、導(dǎo)電膜寬度對發(fā)射性能的影響[3]。張秀玲、王文江研究了基于離子交換技術(shù)，發(fā)射材料為金屬Pd的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射源[4]。盛蕾、梁海峰研究了碳鈦顆粒膜厚度對表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射特性的影響[5]。楊小艷、沈志華制作了發(fā)射材料為Pd的納米裂縫位置可控的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射源[6]。蔡沛峰研究了AlN/Al顆粒膜作為陰極材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器件的負阻特性[7]。

陰極基板是SED中的關(guān)鍵部分。開發(fā)制作工藝簡單、電子發(fā)射效率高、驅(qū)動電壓低、壽命長、環(huán)保性能好的新型陰極材料，對SED的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。本文首次采用價格便宜、自由能低、穩(wěn)定性好的TiN作為SED的陰極材料，并觀察到了發(fā)光現(xiàn)象，測到了發(fā)射電流，證實了采用TiN作為SED陰極材料的可行性。

1 樣品制作

SED樣品的襯底一般是絕緣基板，我們這里使用3mm厚的普通浮法玻璃作基片。首先將基片在丙酮中用超聲清洗機清洗15min， 再用去離子水沖洗干凈， 確保玻璃表面干凈，用氮氣吹干后再進行烘干（100℃）。將干凈的玻璃基板放在臺式勻膠機上勻膠，光刻膠為EGP533型號正膠，其中，勻膠9s轉(zhuǎn)速600r/min，甩膠60s轉(zhuǎn)速2500r/min。前烘在熱板上進行，溫度為100℃，15min。曝光是在型號為JKG-2A型深紫外曝光機上進行的，曝光時間為35s。曝光后在1‰的NaOH顯影液中顯影15s，顯影完畢后再用離子水反復(fù)沖洗后用氮氣吹干，并烘干。將光刻好器件電極圖案的玻璃基板放到磁控濺射儀中，利用磁控濺射技術(shù)在玻璃基板上制作Ni/Cu/Ni電極。電極的玻璃基板放在丙酮中進行剝膠，這樣玻璃極板上就只剩下8個條形電極。在留有器件電極的玻璃基板上光刻導(dǎo)電膜圖案，方法與光刻器件電極圖案類似，相關(guān)參數(shù)相同，圖案為各對電極之間的小方塊。把光刻好導(dǎo)電膜的樣品放到專用的磁控濺射儀中，利用磁控濺射技術(shù)在2根器件電極間得到18個TiN導(dǎo)電膜。將濺射好陰極材料的玻璃基板放在丙酮中進行剝膠，這樣就得到可以測試的SED樣品。SED樣品的電極和導(dǎo)電膜圖案如圖1所示，①～⑧為8根器件電極，每兩根器件電極之間為一行18個導(dǎo)電膜，7行共計7×18個導(dǎo)電膜，即7×18的像素點。圖2為單個SED單元放大286倍的光鏡照片，上下為兩個電極，中間是發(fā)射層。

2 測試結(jié)果與分析

在真空環(huán)境下（5×10-4Pa），測試SED樣品中一對電極的傳導(dǎo)電流和發(fā)射電流隨器件電壓的變化，并觀察發(fā)光圖案。測試時，器件電壓緩慢增加，陽極高壓為1000V。傳導(dǎo)電流If與器件電壓Vf之間的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，隨著器件電壓Vf的升高，傳導(dǎo)電流If 隨著器件電壓Vf的升高，先迅速升高，再然后下降，最后緩慢上升。

發(fā)射電流Ia與器件電壓Vf的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出，隨著器件電壓Vf的升高發(fā)射電流Ia先緩慢增加，然后快速上升。

圖5為一組電極之間的發(fā)射源的發(fā)光照片，由圖可以看出發(fā)光還是比較均勻、比較亮的，說明TiN作為SED的陰極材料是可行的。

3 結(jié)語

本文首次把TiN用做SED的陰極材料，給出了樣品的發(fā)光照片，并指出了傳導(dǎo)電流If和發(fā)射電流Ia隨器件電壓Vf變化的關(guān)系。傳導(dǎo)電流If隨著器件電壓Vf的升高，先迅速升高，再然后下降，最后緩慢上升。發(fā)射電流Ia隨著器件電壓Vf 的升高先緩慢增加，然后快速上升。

參考文獻

[1] MI Elinson，AG Zhdan，GA Kudintseva，et al.The Emission of Hot Electrons and the Field Emission of Electrons from Tin Oxide[J].Radio Eng Electron Physics， 1965（10）：1290-1296.

[2] 吳凱，李德杰.一種新型的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射陰極[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2006，26（5）：339-342.

[3] 孫宏博，吳勝利，張勁濤.SED的磁控濺射法制作技術(shù)試驗研究[J].真空電子技術(shù)，2008（2）：30-33.

[4] 張秀玲，王文江.基于離子交換技術(shù)的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射源制備[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2010，30（6）：577-581.

[5] 盛蕾，梁海峰.顆粒膜厚度對表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射的影響[J].強激光與粒子束，2013，25（2）：513-516.

[6] 楊小艷，沈志華.納米裂縫位置可控的表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射薄膜[J].液晶與顯示，2014，29（6）：911-915.

[7] 蔡沛峰.表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器件的負阻特性研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.