北大魏賢龍Adv. Funct.Mater.:基于超定向碳納米管薄膜的高性能片上微型熱電子發射源陣列

?【背景介紹】

片上集成電子源是真空微電子學的重要組成部分，在小型化X射線管、真空微電子集成電路、微型電子顯微鏡，離子注入系統中的離子推力器和電荷補償裝置等領域顯示出巨大的應用潛力。然而，到目前為止，具有穩定可靠發射性能的實用化片上電子源還很難實現。在過去的幾十年里，有關片上集成的電子源的研究主要聚焦在基于微尖的場發射電子源陣列（FEAs）上。但其電流不穩定的問題仍然難以有效地解決，極大地限制了它的廣泛應用。另一方面，由于具有穩定的發射性能和較低的真空要求，體積龐大的宏觀熱電子發射源在大多數商業應用中仍然占主導地位，但將其小型化、片上化的嘗試還鮮有報道。

碳納米管（CNT）具有優異的導電性、導熱性、機械和熱穩定性，是一種穩定可靠的微型熱電子燈絲。 魏賢龍課題組前期的工作研究已經證實碳納米管具有優異的熱電子發射性能以及利用碳納米管在片上集成微型熱電子發射陣列的可行性。

【成果簡介】

在之前研究工作的基礎上，最近，北京大學魏賢龍研究員團隊及其合作者報道了一種片上集成的、具有穩定與可重復發射特性的微型熱電子源陣列的重要進展。作者利用懸空的超定向碳納米管薄膜作為微型的熱發射燈絲，制備了高性能的片上微型熱電子發射源陣列。實驗結果顯示，微型發射源在3.9V的低驅動電壓下即可獲得高達約20μA的發射電流和約1.33A cm^-2的發射電流密度（與現有的商用熱電子源相同），且其時間響應實測小于1μs（較現有的商用熱電子源相同降低四個量級）。值得一提的是，得益于碳納米管材料優異的穩定性，這種微型熱發射電子源即使在較低的真空條件下（≈5×10-4 Pa）仍具有穩定（30min內發射電流的波動僅±1.2%）與可重復的（27次循環下驅動電壓波動僅±0.2%）電子發射特性。甚至在粗真空條件下（≈10-1 Pa），仍能可重復地正常工作（20次循環下驅動電壓波動僅±2%）。此外，發射源陣列表現出較為均一的發射性能。綜上，該微型熱電子發射源陣列具有優異的穩定性、可重復性和均勻性，在片上集成的微型電子源方面具有廣闊的應用前景。相關成果以“High-Performance On-Chip Thermionic Electron Micro-Emitter Arrays Based on Super-Aligned Carbon Nanotube Films”發表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

?【圖文導讀】

?圖一、片上微型熱電子發射源陣列的制備

（a）單個微型熱電子發射源的結構示意圖。超定向碳納米管薄膜作為微型熱發射燈絲懸空于電極之間；

（b）片上微型熱電子發射源陣列四步制備工藝示意圖；

（c）器件在不同放大倍數下的SEM圖。

圖二、單個微型電子發射源的熱發射特性

（a）測量設置的示意圖；

（b）發射電流和相應的功率與驅動電壓的依賴關系；

（c）在相同發射電流密度下，本文中微型熱電子發射源的驅動電壓與先前報道的門控FEAs的比較；

（d）基于懸空碳納米管薄膜和不懸空碳納米管薄膜的器件的發射特性的比較；

（e）在2.90～3.30 V電壓范圍內的碳納米管薄膜的熱發射光譜；

（f）圖e）中器件的溫度和功率與驅動電壓的依賴關系；

（g）單個微型電子發射源在0.5 MHz方波電壓的驅動下的時間相應。

?圖三、單個微型電子發射源的穩定性和可重復性

（a）在約5×10^-4 Pa下測得的單個微型電子發射源的短期穩定性測試；

（b）本文的微型電子發射源的真空度和發射電流波動與先前報道的FEAs 的比較；

（c）在約5×10^?4 Pa下測量的27個周期內的電子發射性能；

（d）在約10^?1 Pa下測量的20個周期的電子發射性能。

圖四、片上微型熱電子發射源陣列

（a）片上微型電子發射源陣列的照片；

（b）片上微型電子發射源陣列的光學顯微鏡圖像；

（c）SACNT薄膜的光學顯微鏡圖像；

（d）8×4器件陣列電阻的統計分布；

（e）15個器件開啟電壓（V_on）的統計分布；

（f）15個器件亞閾值斜率（SS）的統計分布。

?【小結】

綜上所述，作者以超定向碳納米管薄膜為微型熱電子發射燈絲，制備出了高性能的片上微型熱電子發射源陣列。由于熱發射燈絲是懸空結構，其豎直方向上的熱耗散受到極大的抑制，熱發射燈絲的溫度可以達到2400K左右。實驗測量發現，制備的器件在較低的工作電壓（3~4 V）可以獲得較高的發射電流密度（≈1.33 A cm^-2）。同時，由于熱發射燈絲被縮小到微米尺度（≈10μm），其熱慣性大大降低，器件具有快速的時間響應。實測的響應時間小于1μs，較宏觀的熱電子發射源快了四個數量級。值得一提的是，作者制備的器件在≈5×10^-4 Pa的低真空下，也表現出穩定的（±1.2%發射電流波動30min）和可重復的（±0.2%驅動電壓變化27個循環周期）發射性能。即使在≈10^-1 Pa的低真空下，作者也觀察到極其優異的可重復性（±2%驅動電壓變化超過20個循環周期）。此外，作者還在1cm×1cm芯片上首次實現了微型熱電子發射源陣列的規模集成。由于材料制備方法和微加工技術較為成熟，制備出的微型熱電子發射源陣列具有均一的電子發射性能。作者認為，該微型熱電子發射陣列具有良好的穩定性、可重復性和均勻性，其作為片上集成電子源具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：High-Performance On-Chip Thermionic Electron Micro-Emitter Arrays Based on Super-Aligned Carbon Nanotube Films（Adv. Funct. Mater. 2019, 1907814）

本文由電子組我亦是行人編譯。

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