北大魏贤龙Adv. Funct.Mater.:基于超定向碳纳米管薄膜的高性能片上微型热电子发射源阵列

【背景介绍】

片上集成电子源是真空微电子学的重要组成部分，在小型化X射线管、真空微电子集成电路、微型电子显微镜，离子注入系统中的离子推力器和电荷补偿装置等领域显示出巨大的应用潜力。然而，到目前为止，具有稳定可靠发射性能的实用化片上电子源还很难实现。在过去的几十年里，有关片上集成的电子源的研究主要聚焦在基于微尖的场发射电子源阵列（FEAs）上。但其电流不稳定的问题仍然难以有效地解决，极大地限制了它的广泛应用。另一方面，由于具有稳定的发射性能和较低的真空要求，体积庞大的宏观热电子发射源在大多数商业应用中仍然占主导地位，但将其小型化、片上化的尝试还鲜有报道。

碳纳米管（CNT）具有优异的导电性、导热性、机械和热稳定性，是一种稳定可靠的微型热电子灯丝。 魏贤龙课题组前期的工作研究已经证实碳纳米管具有优异的热电子发射性能以及利用碳纳米管在片上集成微型热电子发射阵列的可行性。

【成果简介】

在之前研究工作的基础上，最近，北京大学魏贤龙研究员团队及其合作者报道了一种片上集成的、具有稳定与可重复发射特性的微型热电子源阵列的重要进展。作者利用悬空的超定向碳纳米管薄膜作为微型的热发射灯丝，制备了高性能的片上微型热电子发射源阵列。实验结果显示，微型发射源在3.9V的低驱动电压下即可获得高达约20μA的发射电流和约1.33A cm^-2的发射电流密度（与现有的商用热电子源相同），且其时间响应实测小于1μs（较现有的商用热电子源相同降低四个量级）。值得一提的是，得益于碳纳米管材料优异的稳定性，这种微型热发射电子源即使在较低的真空条件下（≈5×10-4 Pa）仍具有稳定（30min内发射电流的波动仅±1.2%）与可重复的（27次循环下驱动电压波动仅±0.2%）电子发射特性。甚至在粗真空条件下（≈10-1 Pa），仍能可重复地正常工作（20次循环下驱动电压波动仅±2%）。此外，发射源阵列表现出较为均一的发射性能。综上，该微型热电子发射源阵列具有优异的稳定性、可重复性和均匀性，在片上集成的微型电子源方面具有广阔的应用前景。相关成果以“High-Performance On-Chip Thermionic Electron Micro-Emitter Arrays Based on Super-Aligned Carbon Nanotube Films”发表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

【图文导读】

图一、片上微型热电子发射源阵列的制备

（a）单个微型热电子发射源的结构示意图。超定向碳纳米管薄膜作为微型热发射灯丝悬空于电极之间；

（b）片上微型热电子发射源阵列四步制备工艺示意图；

（c）器件在不同放大倍数下的SEM图。

图二、单个微型电子发射源的热发射特性

（a）测量设置的示意图；

（b）发射电流和相应的功率与驱动电压的依赖关系；

（c）在相同发射电流密度下，本文中微型热电子发射源的驱动电压与先前报道的门控FEAs的比较；

（d）基于悬空碳纳米管薄膜和不悬空碳纳米管薄膜的器件的发射特性的比较；

（e）在2.90～3.30 V电压范围内的碳纳米管薄膜的热发射光谱；

（f）图e）中器件的温度和功率与驱动电压的依赖关系；

（g）单个微型电子发射源在0.5 MHz方波电压的驱动下的时间相应。

图三、单个微型电子发射源的稳定性和可重复性

（a）在约5×10^-4Pa下测得的单个微型电子发射源的短期稳定性测试；

（b）本文的微型电子发射源的真空度和发射电流波动与先前报道的FEAs 的比较；

（c）在约5×10⁻⁴Pa下测量的27个周期内的电子发射性能；

（d）在约10⁻¹Pa下测量的20个周期的电子发射性能。

图四、片上微型热电子发射源阵列

（a）片上微型电子发射源阵列的照片；

（b）片上微型电子发射源阵列的光学显微镜图像；

（c）SACNT薄膜的光学显微镜图像；

（d）8×4器件阵列电阻的统计分布；

（e）15个器件开启电压（V_on）的统计分布；

（f）15个器件亚阈值斜率（SS）的统计分布。

【小结】

综上所述，作者以超定向碳纳米管薄膜为微型热电子发射灯丝，制备出了高性能的片上微型热电子发射源阵列。由于热发射灯丝是悬空结构，其竖直方向上的热耗散受到极大的抑制，热发射灯丝的温度可以达到2400K左右。实验测量发现，制备的器件在较低的工作电压（3~4 V）可以获得较高的发射电流密度（≈1.33 A cm^-2）。同时，由于热发射灯丝被缩小到微米尺度（≈10μm），其热惯性大大降低，器件具有快速的时间响应。实测的响应时间小于1μs，较宏观的热电子发射源快了四个数量级。值得一提的是，作者制备的器件在≈5×10^-4Pa的低真空下，也表现出稳定的（±1.2%发射电流波动30min）和可重复的（±0.2%驱动电压变化27个循环周期）发射性能。即使在≈10^-1Pa的低真空下，作者也观察到极其优异的可重复性（±2%驱动电压变化超过20个循环周期）。此外，作者还在1cm×1cm芯片上首次实现了微型热电子发射源阵列的规模集成。由于材料制备方法和微加工技术较为成熟，制备出的微型热电子发射源阵列具有均一的电子发射性能。作者认为，该微型热电子发射阵列具有良好的稳定性、可重复性和均匀性，其作为片上集成电子源具有广阔的应用前景。

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

本文由电子组我亦是行人编译。

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