Plattkälla med källa med sidosport baserad på sic nanowire-fältemitterare | vetenskapliga rapporter

Plattkälla med källa med sidosport baserad på sic nanowire-fältemitterare | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Kemiteknik
  • Nanoskala enheter

Abstrakt

En fältutsläppskälla med hög luminans, utmärkt luminanslikformighet och inställbara luminansegenskaper med en ny lateral grindstruktur visas. Triodstrukturen i sidoporten innefattar SiC-nanotrådgivare på en Ag-katodelektrod och ett par Ag-grindelektroder placerade i sidled på båda sidorna av katoden. Den enkla och kostnadseffektiva silketrycktekniken används för att mönstra laterala grindar och katodstruktur på sodakalkglas. Ytbeläggningen för den skärmtryckta katoden och grindarna på glasunderlaget (area: 6 × 8 cm 2 ) ligger inom intervallet 2, 04% - 4, 74% beroende på uppsättningen av katodgrindelektroder på underlaget. Sidoportkonstruktionen med dess lilla täckning uppvisar ett tvådimensionellt luminansmönster med hög ljusstyrka och god luminanslikhet. En maximal luminans på 10952 cd / cm 2 och en luminanslikformighet av> 90% kan uppnås med en grindspänning på 500 V och en anodspänning på 4000 V, med en anodström på 1, 44 mA och strömläckage till grinden från katod på cirka 10%.

Introduktion

Belysning står för en betydande del (20%) av all elektrisk energi som konsumeras över hela världen. Nästa generations ljuskällor har alltså studerats omfattande för att minska energiförbrukningen och minska miljöpåverkan. Platt-belysning avger ljus över ett stort område, till exempel en hel vägg. Till skillnad från glödlampor (punktkällor) och lysrör (rörkällor) kräver inte platt-belysning detaljerade sammankopplingar och ljusspridningsteknologi för att ge jämn belysning. Några praktiska fördelar med denna teknik inkluderar: (1) bländreduktion (den totala lumenutgången är fördelad över ett stort område), (2) tunna belysningsmoduler (liknar ett glasskiva), och (3) lång drift (service) liv. I allmänhet kan platt-belysning användas var som helst som konventionella lampor används, till exempel för takbelysning, väggbelysning och både inomhus- och utomhusdekorativ belysning. Platt-belysning har använts som en bakgrundsbelysningskälla för högupplösta medicinska displayer, flygkontrollskärmar, industriella displayenheter och skyltar 1, 2, 3, 4 .

Fältutsläpp ljuskällor, en emissiv typ av platt-teknik, använder kallt fält emitterare i stället för termiska katoder som elektronkällor. Varje kallt emitter är en nanoskalig vass spets som avger elektroner vid applicering av ett högt elektriskt fält. Elektronerna reser genom ett vakuum och bombarderar fosforbeläggningarna som appliceras på en anod och glasplattan som bildar skärmen. Den elektriska fältemitteraren är en av de mest väsentliga komponenterna i en fältutsläppsanordning. Sändare kräver en låg effektiv arbetsfunktion, högt geometriskt aspektförhållande och god termisk och kemisk stabilitet 5, 6, 7 . En mängd endimensionell (1D) nanomaterial har studerats som nya emittrar, inklusive 1D kolnanomaterial 8, 9, 10, 11, 1D nano-metalloxid 12, 13, 14, 15 och 1D nano-metallmaterial 12, 16, 17, 18 . Från praktisk synvinkel krävs emellertid tillväxten in situ av emittrar vid låg temperatur (<450 ° C) på ett önskat underlag eller produktionen av emittrar i pulverform för industriella tillämpningar. Sändare i pulverform kan användas i gramskalamängder för anordningstillverkning med hjälp av tekniker såsom skärmtryckmönster. Kolnanorör (CNT) är ett lovande material för sådana ändamål och har således studerats omfattande för fältutsläppstillämpningar 19, 20 .

Kiselkarbid (SiC) är ett halvledande material som har hög termisk stabilitet, god kemisk resistivitet, god mekanisk hållfasthet och unika optiska egenskaper. Många 1D SiC-nanostrukturer såsom nanoroder 21, 22, 23, nanotrådar 24, 25, nanorör 26, 27, nanobältar 28, 29 och nanokablar 30, 31, 32 har syntetiserats. Fältemissionsegenskaperna för sådana strukturer har studerats 33, 34 . Jämfört med CNT-emittrar har SiC-nanoemitters bättre termisk stabilitet och kemisk beständighet, vilket är gynnsamt för tillverkningsprocessen och förbättrar enhetens stabilitet och livslängd. I ett fältutsläppstest kan till exempel CNT: er skadas eller brännas ut på grund av värmen som genereras av hög elektrisk strömtäthet. SiC har bättre termisk stabilitet och tål således högre värmechock. I våra tidigare studier producerades stora mängder SiC-nanotrådar via en modifierad kemisk ångdeposition (CVD) -metod 24 och deras fältemissionsegenskaper studerades med användning av en fältemissionsanordning med en parallellplattdiodstruktur 8 . Det visade sig att SiC-nanotrådar har stor potential för fältutsläppstillämpningar.

Föreliggande studie undersöker genomförbarheten för fältutsläppsbelysning som använder SiC-nanotrådar som emittrar. En fältutsläppsanordning med en sidostyrs triodstruktur tillverkades med användning av en kostnadseffektiv skärmtryckprocess. Systematiska fältemissionsexperiment genomfördes för att hitta optimala driftsförhållanden för hög luminans och god enhetlighet.

Experimentella detaljer

SiC-nanotrådar framställdes via en kombination av CVD och CNT-begränsad reaktionsmetod 24 . I korthet syntetiserades Fe-Ni-katalytiska nanopartiklar på Si-Si02-kärn-skalpulver med en termisk behandling vid 550 ° C i luft. CVD genomfördes med användning av C2H2 som kolkälla i närvaro av katalysatorn vid 650 ° C under 1 timme för syntes av CNT, vilket följdes av att höja temperaturen till 1300 ° C under en argonatmosfär för syntesen av SiC-nanotrådar. Det framställda pulvret placerades i en 4N NaOH-lösning vid 60 ° C under 5 timmar för att avlägsna katalysatorn från SiC-nanotrådpulvret. En silketryckbar SiC-nanodyrpasta innefattade SiC-nanotrådar och ett organiskt fordon. Den organiska bäraren var en blandning av etylcellulosa (Aldrich), a-terpineol (Aldrich) och dietylenglykolmonobutyleter (Aldrich) med ett viktförhållande av 3: 1: 1. Den organiska bäraren användes för att sprida SiC-nanotrådarna och kontrollera pastans viskositet. Det renade SiC-nanotrådpulvret (0, 5 g) och den organiska bäraren (15 g) blandades väl av en blandnings- / avgasningsmaskin (Thinky ARE-250) för att bli en tryckbar pasta.

Strukturerna för lateral-grind / katodelektroder trycktes på sodakalkglas (area: 6 × 8 cm 2 ) av en skärmskrivare (Hotshine, modell 2020HIC) med användning av Ag-pasta (DuPont, FL-5773B) och den beredda SiC-nanowire-pastan . En bakningsprocess vid 100 ° C under 10 minuter och därefter genomfördes en bränningsprocess vid 400 ° C under 60 minuter efter tryckningsprocessen för att avlägsna lösningsmedlet och organiska bindemedel. ZnS-gröna fosforer med en partikelstorlek på 1–4 mikrometer trycktes på indium-tennoxid (ITO) -glas (area: 5 × 5 cm 2 ) som anod. Gapet mellan två parallella paneler (anod- och grind-katodpaneler) var 1 cm.

Morfologin och den kristallina strukturen hos SiC-nanotrådarna undersöktes genom fältemissionskanningselektronmikroskopi (FE-SEM, HITACHI S-4800), högupplösta transmissionselektronmikroskopi (HR-TEM, Philips Tecnai F20) och röntgendiffraktion (XRD, RIGAKU Miniflex) med användning av CuKa-strålning. Fältemissionsegenskaperna undersöktes i en vakuumkammare vid ett tryck av 6 × 10 −6 Torr. Utsläppströmmen övervakades med en källmätare (Keithley 2410) medan ljusstyrkan och luminescenslikformigheten mättes med en luminanskolorimeter (BM-7A, Topcon). Grinden och katoden var likström (DC) partisk som sträckte sig från 200 till 500 V, medan anoden och katoden var DC-partisk som sträckte sig från 1 till 4 kV. Grindelektroden manövrerades i pulsläge (10% tullförhållande). Fig. 1 visar ett schematiskt diagram över den sido-grindiga triodstrukturen hos fältemissionsanordningen.

Bild i full storlek

resultat och diskussion

Figur 2 (a) visar SEM- och TEM-bilder och XRD-mönstret för de producerade SiC-nanotrådarna. SiC-nanotrådarna har diametrar i intervallet 20–50 nm och längder i intervallet några hundra nm till några μm. En TEM-bild av en enda SiC-nanotråd med en diameter på cirka 20–50 nm visas i Fig. 2 (b). SAED-mönstret för utvalt område (SAED) i insatsen i fig. 2 (b) bekräftar att nanotråden har en en-kristallin p-SiC-struktur och att dess tillväxtriktning var längs [111] -planet. XRD-mönstret för SiC-nanotrådarna i fig. 2 (c) indikerar att materialet är kubisk struktur för p-SiC. Figur 3 (a) och (b) visar tvärsnitt och ovanifrån SEM-bilder av en lateral grind / katodstruktur. Som man kan se i fig. 3 (a), trycktes tre Ag-elektroder med en höjd av 10 mikrometer på sodakalkglasunderlaget. De två Ag-elektroderna på sidorna fungerar som sidospårelektroden och Ag-elektroden i mitten fungerar som katoden. SiC-nanotrådar som fältemitterare trycktes på skärmen på toppen av centrumelektroden. Ovanifrån av strukturen i fig 3 (b) visar att prickliknande mönster bestod av SiC-nanotrådar sikttrycktes på katodelektroden. SiC-nanotrådarna dispergerades slumpmässigt i prickarna och inbäddades i centrumelektroden. Punkternas diameter var cirka 150 um. Avståndet mellan två angränsande prickar var cirka 80 μm. Bredden på elektroderna var cirka 120 mikrometer och avståndet mellan två intilliggande elektroder var cirka 80 mikrometer. Figur 3 (c) visar en panel med 5 uppsättningar av lateral grind / katodstruktur. Avståndet mellan två angränsande uppsättningar var cirka 6 mm. Ett sodakalksubstrat med en yta av 6 x 8 cm ^ och en tjocklek av 1, 8 cm användes.

( a ) SEM-bild av SiC-nanotrådar, ( b ) TEM-bild av en enda SiC-nanotråd (inlägg visar SAED-mönster), och ( c ) XRD-mönster av SiC-nanotrådar.

Bild i full storlek

( a ) Tvärsnitt och ( b ) ovanifrån SEM-bilder av en uppsättning av sidoport / katodstruktur, och ( c ) panel med 5 uppsättningar av sidoport / katodstruktur.

Bild i full storlek

Figur 4 (a) och (b) visar simuleringsresultaten erhållna med användning av SIMION-mjukvaran respektive försöksresultaten för sidostyr-triodstrukturen med endast en enda punkt på katoden. Inlägget i fig. 4 (a) visar en förstorad bild av sidoport / katodstruktur. Elektronerna drogs ut från emitterarna och rördes mot grindelektroderna på båda sidor på grund av kvanttunneleffekten som drivs av DC-förspänningen mellan grind- och katodelektroderna. Innan elektronerna nådde grindelektroden ändrade de riktning och rörde sig upp till anodelektroden på grund av den mycket högre likströmsförspänningen mellan katod- och anodelektroderna. Elektronerna nådde sedan anoden och bombarderade fosforerna (om några), vilket orsakade katodoluminescens. I fig 4 (a) visar mönstret för elektronbanan att elektronstrålarna var divergerande, vilket resulterade i ett stort bombarderingsområde på anoden. De divergerande och jämnt fördelade elektronstrålarna är fördelaktiga för tvådimensionella (2D) belysningsapplikationer. Figur 4 (b) visar en vy ovanifrån av luminansmönstret i anoden för en enda SiC-punkt. Som förväntat överensstämmer de experimentella resultaten med simuleringsresultaten. Lateral-grinden / katodstrukturen kan sålunda göra divergerande elektronstrålar för 2D platt-belysningsapplikationer. Detta skiljer sig från den konventionella triodstrukturen, som gör konvergerande elektronstrålar. Fig. 5 (a) och (b) visar exempel på luminansmönster för fältemission för den konventionella diodstrukturen respektive den laterala grindstrukturen. Som kan ses i fig. 5 (a), visar fosforskärmen (anoden) ett prickliknande mönster. Med ökande applicerad spänning mellan katoden och anoden blev punkterna ljusare och fler. Så småningom fyllde punkterna på skärmen för att bli en 2D-belysningspanel. Dålig ljusstyrka likformighet uppnås. Däremot ger sidospårstrukturen en enhetlig och ljusstyrka med hög ljusstyrka, såsom visas i fig. 5 (b). Inga ljusa prickar visas på panelen. Ljusstyrkan kan styras genom att byta grind- och anodspänningar, vilket möjliggör inställbar luminans.

( a ) Simulering och ( b ) experimentella resultat av lateral grindtriodstruktur med en enda Si-nanotrådspets på katoden.

Bild i full storlek

Luminansmönster som produceras av ( a ) konventionell diodfältemissionstruktur och ( b ) lateral – grindtriodstruktur.

Bild i full storlek

Figur 6 (a) - (d) visar luminansbilder av fältemissionsanordningen för lateral grind som använder en panel med 7 uppsättningar av sidoport / katodstruktur, med katodspänningar på 1, 2, 3 respektive 4 kV . Grindspänningen hölls vid 500 V för alla tester. Som framgår ökade luminansen med ökande anodspänning. Luminansen över hela panelen var ganska enhetlig. Luminanslikformigheten bestämdes genom att följa ett 9-punktsförfarande 19 . Anodpanelen 5 cm × 5 cm delades upp i nio kvadratiska områden för ljusstyrkan. Luminansen vid mittpunkten för varje kvadrat mättes tre gånger för att erhålla den genomsnittliga luminansen. Luminanslikformigheten U kan uttryckas som:

Luminansbilder av fältemissionsanordningar för lateral grind som arbetar vid anodspänningar på ( a ) 1, ( b ) 2, ( c ) 3 och ( d ) 4 kV. ( e ) Luminans och luminanslikformitet som varierar med anodspänning (grindspänning fast vid 500 V).

Bild i full storlek

där L max och L min är de maximala och minsta luminansvärdena uppmätta vid nio punkter. I allmänhet är luminanslikformigheten bra när U ≧ 80%. Den genomsnittliga luminansen för hela panelen erhölls genom medelvärden av luminansvärdena för de nio punkterna. Figur 6 (e) visar den genomsnittliga luminansen och luminanslikformigheten som varierar med anodspänningen. Luminansen var 83 cd / m 2 vid en anodspänning på 1 kV, ökar långsamt till 470 cd / m 2 vid 2 kV och 2200 cd / m 2 vid 3 kV. Luminansen ökade sedan snabbt till 10952 cd / m 2 när anodspänningen var 4 kV. Resultaten antyder att luminansen kan ställas in genom att anod anodspänningen. Enhetens luminanslikformighet var också mycket bra. Likformighetsvärdena vid 1, 2, 3 och 4 kV var 84, 5%, 90%, 93% respektive 90, 5%. Den kinetiska energin från de utsända elektronerna från katoden ökade med ökande anodspänning. Elektroner med högre energi leder till högre ljusstyrka när de bombarderar fosforerna. God luminanslikformighet innebär att de emitterade elektronerna distribuerades väl på anoden på grund av konstruktionen av sidospårstrukturen och adekvata driftsförhållanden. Ljusstyrkan på mer än 10000 cd / m 2 och likformigheten över 90% uppfyller kraven för platt-belysningsapplikation. Experiment genomfördes där grindspänningen varierades för att studera luminanslikformighet. Figur 7 visar luminansbilder och simuleringsresultat för laterala grindanordningar med grindspänningar på 200 V (fig. 7 (a) och (c)) och 500 V (fig. 7 (b) och (d)), med anodspänningen hålls vid 2 kV. Resultaten visar att en dålig enhetlighet på 75, 7% erhölls för en grindspänning på 200 V, medan en god likformighet på 90% erhölls för en grindspänning på 500 V, även om de två anordningarna uppvisade liknande luminans (200 V: 456 cd / m 2, 500 V: 470 cd / m 2 ). Dålig luminanslikformighet beror på att den otillräckliga grindspänningen som inte "drar" elektronstrålar bredare mot anoden så att täckningsområdet för elektronstrålarna i anoden var liten. Den smala strålavvikelsen orsakade den dåliga luminanslikformigheten. Simuleringsresultaten som visas i fig 7 (c) och (d) är i god överensstämmelse med de experimentella resultaten.

( a ) Luminansbild och ( b ) simuleringsresultat för lateral grindstruktur med anodspänning på 2 kV och grindspänning på 200 V. ( c ) Luminansbild och ( d ) simuleringsresultat för lateral grindstruktur med anodspänning på 2 kV och grindspänning på 500 V.

Bild i full storlek

Figur 8 (a) och (b) visar katodströmmen respektive grindströmmen, varierande med grind- och anodspänningar. Som framgår av fig 8 (a) ökade katodströmmen med ökande grindspänning. Detta beror på att grindelektroden fungerade som en fältemissionsutlösare för elektroner som ska sändas ut från katoden. Med ökande grindspänning förbättrades det elektriska fältet nära SiC nanoemitters så att ett stort antal av emitterna aktiverades. Hög ström inducerades därför i anoden på grund av det stora antalet elektroner som matats ut från emitterarna. För en anodspänning på 4 kV erhölls katodströmmar på 1, 44 respektive 0, 15 mA vid grindspänningar på resp. 500 respektive 200 V. Figur 8 (b) visar grindströmmen som varierar med grind- och anodspänningar. Grindströmmen (läckström) är en oönskad ström som vanligtvis uppstår i fältemissionsanordningar med triode- eller tetrodestrukturer. Strömmen orsakas av att vissa avgivna elektroner påverkar grinden innan de når anoden på grund av förspänningen mellan katoden och grinden. Som förväntat ökade grindströmmen med ökande grindspänning, såsom visas i fig 8 (b). För en anodspänning på 4 kV var läckströmmarna 0, 019 och 0, 010 mA (cirka 10% av anodströmmen) för grindspänningar på 500 respektive 200 V.

( a ) Katod- och ( b ) grindströmmar som varierar med grindspänning och anodspänning.

Bild i full storlek

Figur 9 (a) - (c) visar luminansbilder erhållna med användning av 3, 5 respektive 7 uppsättningar av sidoportkonstruktionen. En ökning av uppsättningarna av grind-katodstrukturen innebär en ökning av antalet SiC-nanoemitters i panelen, och därmed en ökning av elektrondensiteten per enhetsarea (strömtäthet) för bombardemanget av fosforanoden. Som ett resultat ökade luminansen. Figur 9 (d) visar luminans och luminanslikformitet som varierar med antalet uppsättningar av sidoport / katodstruktur. Som förväntat ökade luminansen med ökande antal uppsättningar i panelen. De maximala luminansvärdena var 4600, 5700 och 11000 cd / m 2 för 3, 5 respektive 7 uppsättningar med en anodspänning på 4 kV och en grindspänning på 500 V. Luminanslikformigheten var mer än 90% för enheterna med 5 och 7 uppsättningar men endast 75–80% för enheten med 3 uppsättningar. Även om den nya laterala grindstrukturen förbättrade luminanslikformigheten dramatiskt, befanns en 3-uppsättning struktur vara otillräcklig.

Luminansbilder för paneler med ( a ) 3, ( b ) 5 och ( c ) 7 uppsättningar av lateral-grind / katodstruktur, och ( d ) luminans och luminanslikformitet som varierar med anod- och grindspänningar.

Bild i full storlek

Slutsats

En fältutsläppsanordning med en sidostyrs triodstruktur demonstrerades. Resultaten visar att strukturen förbättrar luminans och luminans enhetlighet. Variationerna av luminans, luminanslikformitet, anodström och grindström med grindspänningen, anodspänningen och antalet uppsättningar av grind-katodelektroder diskuterades. En simulering genomfördes för att bekräfta luminansprestanda för lateral-grindstrukturen. En maximal luminans på 10952 cd / cm2 och en luminanslikformighet på 93% kan uppnås. Dessutom kan luminansen ställas in genom att variera anodspänningen.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.