項(xiàng)目名稱：    納米冷陰極及其器件研制

推薦單位：    廣東省

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    所屬領(lǐng)域：納米電子學(xué)，光電子材料學(xué)，半導(dǎo)體電子學(xué)

真空電子在航天、信息電子和軍事等有廣泛應(yīng)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(jī)遇，它們與微納電子技術(shù)相結(jié)合，可能實(shí)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(xué)研究熱點(diǎn)。

本項(xiàng)目圍繞新型真空光電子發(fā)光與顯示器件的核心技術(shù)，即高效發(fā)射電子的新型冷陰極、新型器件結(jié)構(gòu)和集成等的材料與器件物理和微納光電子學(xué)問題開展研究，成果包括：1、在器件納米冷陰極制備機(jī)理方面，控制生長(zhǎng)出納米尖針；實(shí)現(xiàn)了物理沉積生長(zhǎng)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(chǎng)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(guó)外院士和權(quán)威綜述介紹，并作為研究新起點(diǎn)或代表性進(jìn)展被劍橋大學(xué)等知名機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了組屏，鑒定認(rèn)為該技術(shù)屬國(guó)際領(lǐng)先水平；發(fā)明了雙柵驅(qū)動(dòng)高亮度場(chǎng)發(fā)射平板顯示等器件結(jié)構(gòu)，申請(qǐng)了發(fā)明專利。3、在物理機(jī)制方面，證明了勢(shì)壘下降是單壁碳管低電場(chǎng)發(fā)射的主要原因，發(fā)表在Phys Rev Lett上，斯坦福大學(xué)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(dòng)機(jī)制，發(fā)表在Phys Rev Lett 等上，跨國(guó)公司進(jìn)行拓展。

本項(xiàng)目由96篇論文（SCI收錄35篇）、1章英文專著章節(jié)、國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)特邀報(bào)告3次、4項(xiàng)發(fā)明專利和1項(xiàng)轉(zhuǎn)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(guó)青年科技獎(jiǎng)，另一名獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文。

上述工作對(duì)發(fā)展納米冷陰極器件的工業(yè)應(yīng)用有著重要意義。

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

1-1、 實(shí)現(xiàn)了物理沉積生長(zhǎng)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(guó)發(fā)明專利和申請(qǐng)PCT協(xié)議保護(hù)的多國(guó)發(fā)明專利（專利目錄序號(hào)4）。隨后，首次實(shí)現(xiàn)控制生長(zhǎng)三維氧化鎢納米線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)表在Adv Mater上（代表性論文2），申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利和PCT協(xié)議保護(hù)的多國(guó)發(fā)明專利（專利目錄序號(hào)7）。

1-2、發(fā)現(xiàn)某種不銹鋼襯底可以直接生長(zhǎng)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(zhǎng)碳納米管的技術(shù)，獲得中國(guó)發(fā)明專利。（專利目錄序號(hào)1）。

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

1-4、提出并通過實(shí)驗(yàn)證明，可以通過生長(zhǎng)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(chǎng)發(fā)射啟動(dòng)和閾值電場(chǎng)（代表性論文9，10）。

2、在新型器件設(shè)計(jì)與物理方面（所屬學(xué)科：納米電子學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)）

2-1、設(shè)計(jì)并研制成功了一個(gè)適用于碳納米管冷陰極的新型電子槍，制作簡(jiǎn)單，成本低，獲得了中國(guó)發(fā)明專利，美國(guó)專利申請(qǐng)已公開（專利目錄序號(hào)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(shí)現(xiàn)顯示屏組屏。目前只有日本伊勢(shì)公司和中山大學(xué)實(shí)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(qū)動(dòng)高亮度場(chǎng)發(fā)射平板顯示器件結(jié)構(gòu)（早期器件研究成果見代表性論文5），申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利（專利目錄序號(hào)5）。依此研制成功高亮度雙柵驅(qū)動(dòng)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(shù)（代表性論文6），申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利（專利目錄序號(hào)6）。

3、在物理機(jī)制方面（所屬學(xué)科：納米電子學(xué)、光電子材料學(xué)）

3-1、從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證明存在一個(gè)碳納米管真空擊穿的啟動(dòng)機(jī)制（代表性論文3，其它主要論文12）。

3-2、提出并證明電場(chǎng)穿透單壁碳納米管管端引起表面勢(shì)壘下降是其低電場(chǎng)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(chǎng)發(fā)射特性隨手性變化的性質(zhì)（其它主要論文14）、場(chǎng)發(fā)射特性的室溫量子效應(yīng)（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(chǔ)。

主要完成人：  1.   許寧生

1）提出和主持實(shí)施973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀創(chuàng)新群體項(xiàng)目，代表性論文和專利技術(shù)的重要學(xué)術(shù)思想的主要提出者和執(zhí)筆人之一，參加主要的理論實(shí)驗(yàn)工作，占平均年度工作量的60％。

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

3）提出存在一個(gè)碳納米管真空擊穿的啟動(dòng)機(jī)制、外加電場(chǎng)可能穿透單壁碳納米管管端等思想，具體指導(dǎo)研究生，參加主要理論和實(shí)驗(yàn)（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(qū)動(dòng)納米冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示屏的設(shè)計(jì)思想，具體指導(dǎo)課題組成員和學(xué)生完成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)碳納米管，完成碳納米管發(fā)光管的早期實(shí)驗(yàn)研究工作。提出了碳納米管發(fā)光管電子槍的設(shè)計(jì)思想的實(shí)施方案，參加主要研究工作，具體指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)研究。

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

3）陽(yáng)極和環(huán)境氣體離化對(duì)碳納米管場(chǎng)發(fā)射過程的影響規(guī)律研究方案主要貢獻(xiàn)人之一，參加主要實(shí)驗(yàn)研究（代表性論文7）。

4）"碳納米管真空擊穿的啟動(dòng)機(jī)制" 研究方案貢獻(xiàn)人之一（代表性論文3）。

5）提出雙柵驅(qū)動(dòng)納米冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示屏新設(shè)計(jì)的實(shí)施方案，參加主要研究工作，具體指導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(jì)算模型；發(fā)光管批量制備工藝技術(shù)、優(yōu)化和組屏研究方案主要貢獻(xiàn)人之一，參加主要研究工作。

2）通過控制生長(zhǎng)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(dǎo)學(xué)生完成場(chǎng)發(fā)射實(shí)驗(yàn)（代表性論文10）。

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

5）提出雙柵驅(qū)動(dòng)電路研究方案，早期器件結(jié)構(gòu)柵極板的主要設(shè)計(jì)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(shì)壘降低是其低電場(chǎng)發(fā)射的主要物理原因"的思想的主要貢獻(xiàn)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(jì)算，對(duì)提出碳納米管低電場(chǎng)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(jié)構(gòu)變化關(guān)系的實(shí)現(xiàn)，主持和實(shí)施理論和計(jì)算工作，負(fù)責(zé)開展與劍橋大學(xué)Cavendish實(shí)驗(yàn)室的合作（其他主要論文1）。

3）提出對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體納米線表面缺陷對(duì)場(chǎng)發(fā)射影響研究思想的研究方案，發(fā)展了對(duì)該問題的多尺度計(jì)算方法，揭示上述缺陷在場(chǎng)發(fā)射情況下對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)規(guī)律，對(duì)解釋氧化物納米線場(chǎng)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(shù)負(fù)責(zé)人，發(fā)展了納米級(jí)嚴(yán)格定位沉積碳納米管生長(zhǎng)用催化劑的技術(shù)（其他主要論文12）。

2）單根碳納米管真空擊穿機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究的主要研究人員，研究方案的主要貢獻(xiàn)者之一（代表性論文3）。

3）Si納米線制備的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人，發(fā)展了Si納米線刻蝕化學(xué)反應(yīng)條件控制技術(shù)原理，發(fā)展了采用硅微加工工藝與硅納米線制備技術(shù)結(jié)合制作硅納米冷陰極真空微電子源陣列的技術(shù)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