項目名稱：    納米冷陰極及其器件研制

推薦單位：    廣東省

項目簡介：    所屬領域：納米電子學，光電子材料學，半導體電子學

真空電子在航天、信息電子和軍事等有廣泛應用。碳納米管和納米線等的出現(xiàn)為研究新型納米冷陰極提供了機遇，它們與微納電子技術相結合，可能實現(xiàn)如新型全高清晰度平板顯示等器件急需的微納電子源陣列。這些研究形成了新興的真空微納光電子學研究熱點。

本項目圍繞新型真空光電子發(fā)光與顯示器件的核心技術，即高效發(fā)射電子的新型冷陰極、新型器件結構和集成等的材料與器件物理和微納光電子學問題開展研究，成果包括：1、在器件納米冷陰極制備機理方面，控制生長出納米尖針；實現(xiàn)了物理沉積生長大面積有序均勻鎢和鉬及其氧化物納米線，被列舉為"很有希望的大面積平板顯示器場發(fā)射冷陰極"若干種代表性材料之一，發(fā)表在Adv Mater等上；論文被國外院士和權威綜述介紹，并作為研究新起點或代表性進展被劍橋大學等知名機構同行在Nano Lett和Adv Mater等的論文引言中多次引用。2、在新型器件設計與物理方面，發(fā)明了碳納米管發(fā)光管電子槍，研制成功了高發(fā)光效率的發(fā)光管并實現(xiàn)了組屏，鑒定認為該技術屬國際領先水平；發(fā)明了雙柵驅動高亮度場發(fā)射平板顯示等器件結構，申請了發(fā)明專利。3、在物理機制方面，證明了勢壘下降是單壁碳管低電場發(fā)射的主要原因，發(fā)表在Phys Rev Lett上，斯坦福大學等同行分別在Phys Rev Lett上加以引證；揭示了碳納米管的真空擊穿啟動機制，發(fā)表在Phys Rev Lett 等上，跨國公司進行拓展。

本項目由96篇論文（SCI收錄35篇）、1章英文專著章節(jié)、國際學術大會特邀報告3次、4項發(fā)明專利和1項轉讓成果組成。論文發(fā)表在綜述性刊物Mater Sci and Eng R（影響因子10.5）1篇，Phys Rev Lett 2篇，Adv Mater 2篇，Appl Phys Lett 7篇，被同行SCI正面引用305篇次。一名成員獲中國青年科技獎，另一名獲全國優(yōu)秀博士論文。

上述工作對發(fā)展納米冷陰極器件的工業(yè)應用有著重要意義。

主要發(fā)現(xiàn)點：  1、在器件納米冷陰極制備機理方面（所屬學科：納米電子學、光電子材料學）

1-1、 實現(xiàn)了物理沉積生長大面積有序排列的鎢、鉬及其氧化物納米線，發(fā)表在Adv Mater上（代表性論文1），獲得了中國發(fā)明專利和申請PCT協(xié)議保護的多國發(fā)明專利（專利目錄序號4）。隨后，首次實現(xiàn)控制生長三維氧化鎢納米線網(wǎng)絡，發(fā)表在Adv Mater上（代表性論文2），申請了中國發(fā)明專利和PCT協(xié)議保護的多國發(fā)明專利（專利目錄序號7）。

1-2、發(fā)現(xiàn)某種不銹鋼襯底可以直接生長高效發(fā)射的碳納米管，無需外加催化劑。依此發(fā)明了無外加催化劑在不銹鋼襯底生長碳納米管的技術，獲得中國發(fā)明專利。（專利目錄序號1）。

1-3、發(fā)明了控制碳納米管密度和直徑大小的技術（其它主要論文17），獲得了中國發(fā)明專利（專利目錄序號2）。

1-4、提出并通過實驗證明，可以通過生長條件控制納米線尖端的形狀，制備出尖針狀而且頂端曲率半徑為2－10納米的納米尖針陣列，因此可以降低場發(fā)射啟動和閾值電場（代表性論文9，10）。

2、在新型器件設計與物理方面（所屬學科：納米電子學、半導體光電子學）

2-1、設計并研制成功了一個適用于碳納米管冷陰極的新型電子槍，制作簡單，成本低，獲得了中國發(fā)明專利，美國專利申請已公開（專利目錄序號3）。依此研制成功高亮度和高效發(fā)光的碳納米管發(fā)光管，并實現(xiàn)顯示屏組屏。目前只有日本伊勢公司和中山大學實現(xiàn)了碳納米管發(fā)光管規(guī)模制備和組屏。

2-2、發(fā)明了雙柵驅動高亮度場發(fā)射平板顯示器件結構（早期器件研究成果見代表性論文5），申請了中國發(fā)明專利（專利目錄序號5）。依此研制成功高亮度雙柵驅動納米冷陰極FED原理型器件。

2-3、發(fā)明了自上而下制作帶柵極硅納米線冷陰極真空微電子源陣列制備技術（代表性論文6），申請了中國發(fā)明專利（專利目錄序號6）。

3、在物理機制方面（所屬學科：納米電子學、光電子材料學）

3-1、從理論和實驗兩方面證明存在一個碳納米管真空擊穿的啟動機制（代表性論文3，其它主要論文12）。

3-2、提出并證明電場穿透單壁碳納米管管端引起表面勢壘下降是其低電場發(fā)射的主要原因（代表性論文4，其它主要論文1）。還從理論上推斷出碳納米管的場發(fā)射特性隨手性變化的性質（其它主要論文14）、場發(fā)射特性的室溫量子效應（其它主要論文5）和Aharonov－Bohm Phase（其它主要論文2）等，這些理論工作為開發(fā)新型器件提供了物理基礎。

主要完成人：  1.   許寧生

1）提出和主持實施973計劃項目、國家自然科學基金委優(yōu)秀創(chuàng)新群體項目，代表性論文和專利技術的重要學術思想的主要提出者和執(zhí)筆人之一，參加主要的理論實驗工作，占平均年度工作量的60％。

2）提出用熱蒸發(fā)法生長制備和可控生長有序大面積鎢、鉬及其氧化物納米線和結構形狀等思想。具體指導研究生，參加主要理論和實驗（代表性論文1和2）。

3）提出存在一個碳納米管真空擊穿的啟動機制、外加電場可能穿透單壁碳納米管管端等思想，具體指導研究生，參加主要理論和實驗（代表性論文3和4）。

4）提出了碳納米管發(fā)光管電子槍、雙柵驅動納米冷陰極場發(fā)射顯示屏的設計思想，具體指導課題組成員和學生完成設計和實驗研究，參加主要研究工作。

2.   陳軍

1）發(fā)現(xiàn)在某種不銹鋼上可以生長碳納米管，完成碳納米管發(fā)光管的早期實驗研究工作。提出了碳納米管發(fā)光管電子槍的設計思想的實施方案，參加主要研究工作，具體指導學生完成實驗研究。

2）碳納米管發(fā)光管批量制備工藝技術、優(yōu)化和組屏的研究方案主要貢獻人之一，參加主要研究工作。

3）陽極和環(huán)境氣體離化對碳納米管場發(fā)射過程的影響規(guī)律研究方案主要貢獻人之一，參加主要實驗研究（代表性論文7）。

4）"碳納米管真空擊穿的啟動機制" 研究方案貢獻人之一（代表性論文3）。

5）提出雙柵驅動納米冷陰極場發(fā)射顯示屏新設計的實施方案，參加主要研究工作，具體指導學生完成設計和實驗研究。

上述工作占平均年度工作量的70％。

3.   鄧少芝

1）提出了碳納米管發(fā)光管電子槍的頻率特性計算模型；發(fā)光管批量制備工藝技術、優(yōu)化和組屏研究方案主要貢獻人之一，參加主要研究工作。

2）通過控制生長制備SiC納米針尖粉體的研究方案主要制訂者之一，提出采用尖針狀SiC納米線粉體制備冷陰極電子源的思想（代表性論文9）。

3）氧化鎢納米尖針陣列制備研究方案主要制訂者之一，參加和指導學生完成場發(fā)射實驗（代表性論文10）。

4）硅納米冷陰極真空微電子源陣列測試電路和工作特性研究方案的貢獻人之一，參加主要研究工作（代表性論文6）。

5）提出雙柵驅動電路研究方案，早期器件結構柵極板的主要設計人和研究者（代表性論文5）。

上述工作占平均年度工作量的70％。

4.   李志兵

1）"單壁碳納米管有效勢壘降低是其低電場發(fā)射的主要物理原因"的思想的主要貢獻人之一，與香港陳冠華教授緊密合作開展單壁碳納米管的第一原理計算，對提出碳納米管低電場電子發(fā)射模型起了重要作用（代表性論文4）。

2）提出研究單壁碳納米管發(fā)射特性與管端結構變化關系的實現(xiàn)，主持和實施理論和計算工作，負責開展與劍橋大學Cavendish實驗室的合作（其他主要論文1）。

3）提出對寬禁帶半導體納米線表面缺陷對場發(fā)射影響研究思想的研究方案，發(fā)展了對該問題的多尺度計算方法，揭示上述缺陷在場發(fā)射情況下對電導的貢獻規(guī)律，對解釋氧化物納米線場發(fā)射現(xiàn)象有重要意義。

上述工作占平均年度工作量的40％。

5.   佘峻聰

1）單根碳納米管陣列制備的主要技術負責人，發(fā)展了納米級嚴格定位沉積碳納米管生長用催化劑的技術（其他主要論文12）。

2）單根碳納米管真空擊穿機理實驗研究的主要研究人員，研究方案的主要貢獻者之一（代表性論文3）。

3）Si納米線制備的主要技術負責人，發(fā)展了Si納米線刻蝕化學反應條件控制技術原理，發(fā)展了采用硅微加工工藝與硅納米線制備技術結合制作硅納米冷陰極真空微電子源陣列的技術路線（代表性論文6）。

上述工作占平均年度工作量的60％。

10篇代表性論文：  1.   Large-Area Nanowire Arrays of Molybdenum and Molybdenum Oxides: Synthesis and FieldEmission Properties, Advanced Materials, 15 (21), p1835

2.   Three-dimensional Tungsten Oxide Nanowire Networks, Advanced Materials, 17 (17), p2107

3.   Mechanism Responsible for Initiating Carbon Nanotube Vacuum Breakdown, Physical Review Letters, 93 (7), p075501

4.   Quantum-Mechanical Investigation of Field-Emission Mechanism of a Micrometer-Long Single-Walled Carbon Nanotube, Physical Review Letters, 92 (10), p106803

5.   High-Voltage Triode Flat-Panel Display Using Field-Emission Nanotube-Based Thin Films, Journal of Vacuum Science & Technology B, 19(4), p1370

6.   Fabrication of Vertically Aligned Si Nanowires and Their Application in A Gated Field Emission Device, Applied Physics Letters, 88 (1), p013112

7.   Vacuum Gap Dependence of Field Electron Emission Properties of Large Area Multi-Walled Carbon Nanotube Films, Journal of Physics D: Applied Physics, 34(11), p1597

8.   Novel Cold Cathode Materials and Applications, Materials Science and Engineering Reports: R, 48(2-5), p47

9.   Needle-Shaped Silicon Carbide Nanowires: Synthesis And Field Electron Emission Properties, Applied Physics Letters, 80 (20), p3829

10.  Growth and Field-Emission Property of Tungsten Oxide Nanotip Arrays, Applied Physics Letters, 87 (22), p223108