薄膜场发射阴极中纳米线密度的理论优化.doc

北京大学政学者论文集（2002年） 薄膜场发射阴极中纳米线密度的理论优化

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薄膜场发射阴极中纳米线密度的理论优化

TheoreticalOptimizationoftheNanowireDensityofThinFilmFieldEmissionCathodes

电子学系99级 赵晓雪

摘要

现在人们正大量研究各种各样的纳米线薄膜，因为它们很有可能成为新一代的场发射阴极而被应用于如平面显示器等器件中。研究表明，不仅仅是纳米线的物理特性，薄膜的场发射特性也强烈地依赖于纳米线阵列的几何构造。一方面，薄膜阴极的纳米线阵列密度要足够大，使得大量的场发射源能够产生。另一方面，过大的密度带来的屏蔽效应将严重削弱纳米线尖端的局域电场。在本文中，我们利用Ansys软件计算出了纳米线间的最佳距离。在此距离下，纳米线阵列密度与屏蔽效应达到平衡。

Abstract

Avarietyofnanowirethinfilmsarebeingstudiedascandidatesforthenextgenerationoffieldemissioncathodestobeusedindeviceslikeplanardisplays.Besidesthephysicalpropertiesoftheinvolvednanowires,thefieldemissionperformanceofthesethinfilmsdependsalsoremarkablyonthegeometricconfigurationofthenanowirearray.Ononehand,thedensityofananowirearrayinathinfilmcathodehastobelargeenoughsothatalargenumberoffieldemissionsourcescanoccur.Ontheotherhand,screeningeffectsharplylowersthelocalelectricfieldatthenanowiretipswhenthedensityistoohigh.Asdescribedinthispaper,weuseANSYStodetermineanoptimalinter-nanowiredistancethatisacompromisebetweenplentyoffieldemissionsourcesandthesmallscreeningeffect.Insomespecificparameters,wearriveattheconclusionthatthescreeningeffectisnegligiblewhentheinter-nanowiredistanceislargerthantwicethenanowirelength.

目前，关于纳米线的研究正方兴未艾。纳米线与同种元素成分的块体材料相比，不仅原子结构上有差异，而且在电子结构上也有自己的显著特点，如量子效应和非线性现象等。纳米线已经在很多方面显示出诱人的应用前景。其中最引人注目的是它们在场发射平板显示器中的应用。已有的实验结果表明，纳米线（主要包括碳纳米管﹑金属纳米线和硅纳米线）有着较为优异的场发射特性=1\*GB3①–=5\*GB3⑤。人们普遍认为，由于纳米线的尺寸已经小至101-102nm量级，它们的尖端可以感受到很强的局域电场(localelectricfield)，所以电子将比较容易地通过隧道效应穿过被大大削弱的势垒而逸出至真空中。

在实际应用中，常见的场发射阴极多为纳米线阵列，而不是单根纳米线。我们认为，纳米线的排列密度（单位面积的纳米线数）对纳米线阵列的场发射特性有着显著的影响。过于稀疏的排列固然意味着很小的场发射面积，过于紧密的排列会由于纳米线之间的屏蔽效应而削弱每根纳米线尖端的场强。极端的情况是，当纳米线之间的距离是零的时候，纳米线尖端的场强已经与平行板电容器中的表观场强没有区别了⑥。所以在实验中，大的场发射电流往往不是来自于非常密集的纳米线阵列。

于是，我们试图优化纳米线密度。一方面，密度应该尽量大以保证足够的场发射电子源的面积；另一方面，纳米线之间应保持一定的距离，使得它们尖端的场强不