项目名称：    纳米冷阴极及其器件研制

推荐单位：    广东省

项目简介：    所属领域：纳米电子学，光电子材料学，半导体电子学

真空电子在航天、信息电子和军事等有广泛应用。碳纳米管和纳米线等的出现为研究新型纳米冷阴极提供了机遇，它们与微纳电子技术相结合，可能实现如新型全高清晰度平板显示等器件急需的微纳电子源阵列。这些研究形成了新兴的真空微纳光电子学研究热点。

本项目围绕新型真空光电子发光与显示器件的核心技术，即高效发射电子的新型冷阴极、新型器件结构和集成等的材料与器件物理和微纳光电子学问题开展研究，成果包括：1、在器件纳米冷阴极制备机理方面，控制生长出纳米尖针；实现了物理沉积生长大面积有序均匀钨和钼及其氧化物纳米线，被列举为"很有希望的大面积平板显示器场发射冷阴极"若干种代表性材料之一，发表在Adv Mater等上；论文被国外院士和权威综述介绍，并作为研究新起点或代表性进展被剑桥大学等知名机构同行在Nano Lett和Adv Mater等的论文引言中多次引用。2、在新型器件设计与物理方面，发明了碳纳米管发光管电子枪，研制成功了高发光效率的发光管并实现了组屏，鉴定认为该技术属国际领先水平；发明了双栅驱动高亮度场发射平板显示等器件结构，申请了发明专利。3、在物理机制方面，证明了势垒下降是单壁碳管低电场发射的主要原因，发表在Phys Rev Lett上，斯坦福大学等同行分别在Phys Rev Lett上加以引证；揭示了碳纳米管的真空击穿启动机制，发表在Phys Rev Lett 等上，跨国公司进行拓展。

本项目由96篇论文（SCI收录35篇）、1章英文专著章节、国际学术大会特邀报告3次、4项发明专利和1项转让成果组成。论文发表在综述性刊物Mater Sci and Eng R（影响因子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。一名成员获中国青年科技奖，另一名获全国优秀博士论文。

上述工作对发展纳米冷阴极器件的工业应用有着重要意义。

主要发现点：  1、在器件纳米冷阴极制备机理方面（所属学科：纳米电子学、光电子材料学）

1-1、 实现了物理沉积生长大面积有序排列的钨、钼及其氧化物纳米线，发表在Adv Mater上（代表性论文1），获得了中国发明专利和申请PCT协议保护的多国发明专利（专利目录序号4）。随后，首次实现控制生长三维氧化钨纳米线网络，发表在Adv Mater上（代表性论文2），申请了中国发明专利和PCT协议保护的多国发明专利（专利目录序号7）。

1-2、发现某种不锈钢衬底可以直接生长高效发射的碳纳米管，无需外加催化剂。依此发明了无外加催化剂在不锈钢衬底生长碳纳米管的技术，获得中国发明专利。（专利目录序号1）。

1-3、发明了控制碳纳米管密度和直径大小的技术（其它主要论文17），获得了中国发明专利（专利目录序号2）。

1-4、提出并通过实验证明，可以通过生长条件控制纳米线尖端的形状，制备出尖针状而且顶端曲率半径为2－10纳米的纳米尖针阵列，因此可以降低场发射启动和阈值电场（代表性论文9，10）。

2、在新型器件设计与物理方面（所属学科：纳米电子学、半导体光电子学）

2-1、设计并研制成功了一个适用于碳纳米管冷阴极的新型电子枪，制作简单，成本低，获得了中国发明专利，美国专利申请已公开（专利目录序号3）。依此研制成功高亮度和高效发光的碳纳米管发光管，并实现显示屏组屏。目前只有日本伊势公司和中山大学实现了碳纳米管发光管规模制备和组屏。

2-2、发明了双栅驱动高亮度场发射平板显示器件结构（早期器件研究成果见代表性论文5），申请了中国发明专利（专利目录序号5）。依此研制成功高亮度双栅驱动纳米冷阴极FED原理型器件。

2-3、发明了自上而下制作带栅极硅纳米线冷阴极真空微电子源阵列制备技术（代表性论文6），申请了中国发明专利（专利目录序号6）。

3、在物理机制方面（所属学科：纳米电子学、光电子材料学）

3-1、从理论和实验两方面证明存在一个碳纳米管真空击穿的启动机制（代表性论文3，其它主要论文12）。

3-2、提出并证明电场穿透单壁碳纳米管管端引起表面势垒下降是其低电场发射的主要原因（代表性论文4，其它主要论文1）。还从理论上推断出碳纳米管的场发射特性随手性变化的性质（其它主要论文14）、场发射特性的室温量子效应（其它主要论文5）和Aharonov－Bohm Phase（其它主要论文2）等，这些理论工作为开发新型器件提供了物理基础。

主要完成人：  1.   许宁生

1）提出和主持实施973计划项目、国家自然科学基金委优秀创新群体项目，代表性论文和专利技术的重要学术思想的主要提出者和执笔人之一，参加主要的理论实验工作，占平均年度工作量的60％。

2）提出用热蒸发法生长制备和可控生长有序大面积钨、钼及其氧化物纳米线和结构形状等思想。具体指导研究生，参加主要理论和实验（代表性论文1和2）。

3）提出存在一个碳纳米管真空击穿的启动机制、外加电场可能穿透单壁碳纳米管管端等思想，具体指导研究生，参加主要理论和实验（代表性论文3和4）。

4）提出了碳纳米管发光管电子枪、双栅驱动纳米冷阴极场发射显示屏的设计思想，具体指导课题组成员和学生完成设计和实验研究，参加主要研究工作。

2.   陈军

1）发现在某种不锈钢上可以生长碳纳米管，完成碳纳米管发光管的早期实验研究工作。提出了碳纳米管发光管电子枪的设计思想的实施方案，参加主要研究工作，具体指导学生完成实验研究。

2）碳纳米管发光管批量制备工艺技术、优化和组屏的研究方案主要贡献人之一，参加主要研究工作。

3）阳极和环境气体离化对碳纳米管场发射过程的影响规律研究方案主要贡献人之一，参加主要实验研究（代表性论文7）。

4）"碳纳米管真空击穿的启动机制" 研究方案贡献人之一（代表性论文3）。

5）提出双栅驱动纳米冷阴极场发射显示屏新设计的实施方案，参加主要研究工作，具体指导学生完成设计和实验研究。

上述工作占平均年度工作量的70％。

3.   邓少芝

1）提出了碳纳米管发光管电子枪的频率特性计算模型；发光管批量制备工艺技术、优化和组屏研究方案主要贡献人之一，参加主要研究工作。

2）通过控制生长制备SiC纳米针尖粉体的研究方案主要制订者之一，提出采用尖针状SiC纳米线粉体制备冷阴极电子源的思想（代表性论文9）。

3）氧化钨纳米尖针阵列制备研究方案主要制订者之一，参加和指导学生完成场发射实验（代表性论文10）。

4）硅纳米冷阴极真空微电子源阵列测试电路和工作特性研究方案的贡献人之一，参加主要研究工作（代表性论文6）。

5）提出双栅驱动电路研究方案，早期器件结构栅极板的主要设计人和研究者（代表性论文5）。

上述工作占平均年度工作量的70％。

4.   李志兵

1）"单壁碳纳米管有效势垒降低是其低电场发射的主要物理原因"的思想的主要贡献人之一，与香港陈冠华教授紧密合作开展单壁碳纳米管的第一原理计算，对提出碳纳米管低电场电子发射模型起了重要作用（代表性论文4）。

2）提出研究单壁碳纳米管发射特性与管端结构变化关系的实现，主持和实施理论和计算工作，负责开展与剑桥大学Cavendish实验室的合作（其他主要论文1）。

3）提出对宽禁带半导体纳米线表面缺陷对场发射影响研究思想的研究方案，发展了对该问题的多尺度计算方法，揭示上述缺陷在场发射情况下对电导的贡献规律，对解释氧化物纳米线场发射现象有重要意义。

上述工作占平均年度工作量的40％。

5.   佘峻聪

1）单根碳纳米管阵列制备的主要技术负责人，发展了纳米级严格定位沉积碳纳米管生长用催化剂的技术（其他主要论文12）。

2）单根碳纳米管真空击穿机理实验研究的主要研究人员，研究方案的主要贡献者之一（代表性论文3）。

3）Si纳米线制备的主要技术负责人，发展了Si纳米线刻蚀化学反应条件控制技术原理，发展了采用硅微加工工艺与硅纳米线制备技术结合制作硅纳米冷阴极真空微电子源阵列的技术路线（代表性论文6）。

上述工作占平均年度工作量的60％。

10篇代表性论文：  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