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研究生： 林自強
論文名稱： 奈米碳管場發射元件聚焦特性之電腦模擬研究
指導教授： 胡瑗博士
林滄浪博士
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 209
中文關鍵詞： 場發射 、奈米碳管 、顯示器 、微影 、聚焦 、模擬
外文關鍵詞： field emission, carbon, nanotube, display, lithography, focus, simulation
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    • 摘 要
    奈米碳管具有極高的高寬比與極小的尖端曲率半徑、良好穩定之物理化學特性與極佳的電子場發射特性，如具有低的場發射起始電壓與相當大的場發射電流密度，使其成為場發射電子平面顯示器的良好材料。我們利用MRC公司發展的MAGIC電腦模擬程式進行奈米碳管(carbon nanotube, CNT)場發射特性模擬，對於單層聚焦電極結構及多層電極結構下的單根奈米碳管的場發射顯示元件進行模擬，探討奈米碳管在不同結構設計上的聚焦情形。研究結果顯示單層奈米碳管高度700 nm (閘極厚0.1微米，閘極底面離陰極0.65微米)，在場發射電流0.2 μA時，電子束半徑可以從無聚焦時的4.4微米降至有聚焦電極時的最佳聚焦電壓時的0.66微米。若是使用短的奈米碳管如100 nm長度，發射電流亦調整在約0.2μA；在最佳聚焦狀況下電子束半徑可降至0.24微米，但操作電壓比700 nm碳管時大。進一步的使用四極結構的電極設計(含閘極及聚焦電極)，對高度200 nm的奈米碳管及四個閘極，其底面分別離陰極1.1、1.8、2.9與3.9微米時，以陰極0 V，四層電極極電壓依序分別為84 V、222 V、1320 V及1320 V，及1320 V陽極電壓時，電子束打在陽極上的半徑可以聚焦到17.4 nm，此時之發射電流為0.37 pA。若是增大發射電流至約3 nA (得增大各極之電壓)，則經調整第三層電極電壓至最佳聚焦時，電子束打陽極上的半徑會增大至31.2 nm。如果要降低操作電壓，可使用較長之奈米碳管，如300 nm，但是在最佳聚焦電壓時之電子束半徑會變得略大，在0.30 pA發射電流時為28.8nm，在3.1 nA發射電流時為46.4 nm。研究結果顯示在顯示器應用上，以雙電極方式作聚焦，即可有適當的聚焦作用，可以提高顯示器的解析度。為了應用在平行化電子微影，則可採用多電極之聚焦電極結構，研究結果顯示在適當的設計下可以將電子束聚的相當小，適合平行化電子微影之技術應用。

    摘要 致謝 圖目錄 表目錄 第一章　導論 1-1 平面顯示器簡介 1-2 場發射真空微三極體簡介 1-3 奈米碳管的場發射特性分析 1-4 奈米碳管場發射顯示器簡介 1-5 研究目的 第二章　文獻回顧 2-1 場發射實驗研究回顧 2-2 場發射模擬研究回顧 2-3平行化電子束微影技術回顧 第三章　場發射原理與模擬研究方法 3-1 場發射原理 3-2 場發射模擬方法 3-2-1 MAGIC模擬軟體程式 3-2-2 研究方法 3-2-3 格網畫法 3-2-4 模擬參數設定 3-2-4a 雙極與三極式場發射元件模擬設定 3-2-4b 共軸式聚焦電極場發射元件模擬設定 3-2-4c 多層電極場發射元件模擬設定 第四章　雙閘極場發射元件模擬結果與討論 4-1 奈米碳管的雙極與三極結構 4-2 奈米碳管在閘極半高(700 nm)的聚焦模擬與分析 4-2-1 不同陰極電壓下的發射電流與聚焦半徑 4-2-2 有無聚焦電極的影響 4-2-3 奈米碳管與Spindt-type的比較 4-3 CNT為750與700 nm的聚焦模擬與分析 4-3-1 CNT 750 nm的聚焦情形 4-3-2 CNT為700與750 nm的比較 4-4 相同電壓下不同聚焦結構參數的變化 4-4-1 不同陰極電壓 4-4-2 不同奈米碳管高度 4-4-3 不同聚焦電極孔徑與高度 4-5 不同高度奈米碳管在相近電流下的模擬 4-5-1 不同高度奈米碳管的發射電流與聚焦半徑 4-5-2 閘極附近聚焦分析 4-5-3 CNT100nm與700nm的比較 4-6 奈米碳管尖端幾何形狀的影響 4-6-1 頂端為半球 4-6-2 開口式奈米碳管 第五章　多層電極的場發射元件的模擬結果與討論 5-1 200 nm奈米碳管之模擬結果 5-2 300 nm奈米碳管之模擬結果 第六章　結論 附錄A 附錄B 參考文獻

    參 考 文 獻
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