[發(fā)明專利]一種鐵電材料極化場(chǎng)調(diào)控二維原子晶體場(chǎng)發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請(qǐng)日: 2019-03-13
• 公開（公告）號(hào): CN109904050B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 佘峻聰;李國(guó)赫;黃一峰;鄧少芝;許寧生;陳軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): H01J29/02
• 分類號(hào): H01J29/02;H01J9/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛(wèi)

本發(fā)明公開了一種鐵電材料極化場(chǎng)調(diào)控二維原子晶體場(chǎng)發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用，所述器件結(jié)構(gòu)包括依次層疊設(shè)置的第一電極、鐵電材料、二維原子晶體材料、絕緣層和第三電極，以及與所述絕緣層并排設(shè)置在所述二維原子晶體材料一側(cè)的第二電極；所述第二電極與絕緣層覆蓋所述二維原子晶體材料的面積之和小于所述二維原子晶體材料的面積；所述鐵電材料與二維原子晶體材料之間僅存在范德華力；所述二維原子晶體材料的原子層層數(shù)為2～10層。本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)二維原子晶體材料平面高效、低壓的場(chǎng)發(fā)射調(diào)控，器件能耗較低，可作為片上集成場(chǎng)致電子發(fā)射結(jié)構(gòu)在微納真空電子器件上獲得應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及真空電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種鐵電材料極化場(chǎng)調(diào)控二維原子晶體場(chǎng)發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

二維原子晶體材料是一類新型場(chǎng)發(fā)射陰極材料，在真空微納二極管、真空微納三極管等真空電子器件中具有潛在應(yīng)用。直立二維原子晶體材料邊緣的原子結(jié)構(gòu)和電子特性的一致性難以控制，這限制了其在真空微納電子器件中的應(yīng)用探索。平面二維原子晶體材料則不存在上述缺點(diǎn)且具備大面積集成的能力，可推動(dòng)基于二維原子晶體材料的片上集成真空微納電子器件的發(fā)展。但是二維原子晶體材料平面表面電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)不明顯；大部分二維原子晶體材料具有較高的功函數(shù)或者電子親和勢(shì)；因此，誘導(dǎo)二維原子晶體材料表面發(fā)射電子所需的驅(qū)動(dòng)電壓較高。

針對(duì)該問題，研究者們提出聲子輔助場(chǎng)發(fā)射，焦耳熱誘導(dǎo)熱電子發(fā)射等方法降低二維原子晶體材料平面場(chǎng)發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電壓。聲子輔助場(chǎng)發(fā)射是利用內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)二維原子晶體材料的電子面內(nèi)散射，利用聲子與電子的相互碰撞，將聲子的能量傳遞給電子，電子獲得能量并填充更高能級(jí)，從而提高電子隧穿幾率。焦耳熱誘導(dǎo)熱電子發(fā)射是利用焦耳熱增加二維原子晶體材料面內(nèi)電子之間相互碰撞，產(chǎn)生高能熱電子，高能熱電子將填充更高能級(jí)，從而提高電子隧穿幾率。上述提及的方法均可有效地降低二維原子晶體材料平面場(chǎng)發(fā)射的開啟電壓，但是器件能耗亦隨之增加。此外，由于背柵結(jié)構(gòu)的制備工藝簡(jiǎn)單，基于二維原子晶體材料的真空微納電子器件多采用背柵結(jié)構(gòu)，利用背柵電場(chǎng)調(diào)節(jié)二維原子晶體材料的表面場(chǎng)發(fā)射特性。然而，該背柵電場(chǎng)貫穿絕緣層時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度被明顯削弱，因而降低二維原子晶體表面的電場(chǎng)變化量，減弱背柵電場(chǎng)對(duì)二維原子晶體材料的表面場(chǎng)發(fā)射特性的調(diào)控作用。

由此可見，發(fā)展一種實(shí)現(xiàn)二維原子晶體材料平面高效、低壓場(chǎng)發(fā)射調(diào)控的方法仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的器件能耗大、背柵結(jié)構(gòu)難以調(diào)控二維原子晶體材料的表面場(chǎng)發(fā)射的缺陷，提供一種鐵電材料極化場(chǎng)調(diào)控二維原子晶體場(chǎng)發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)，提供的器件結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)二維原子晶體材料平面高效、低壓的場(chǎng)發(fā)射調(diào)控，器件能耗較低，可作為片上集成場(chǎng)致電子發(fā)射結(jié)構(gòu)在微納真空電子器件上獲得應(yīng)用。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述器件結(jié)構(gòu)的制備方法。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供上述器件結(jié)構(gòu)在調(diào)控二維原子晶體材料場(chǎng)發(fā)射中的應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種鐵電材料極化場(chǎng)調(diào)控二維原子晶體場(chǎng)發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)，包括依次層疊設(shè)置的第一電極、鐵電材料、二維原子晶體材料、絕緣層和第三電極，以及與所述絕緣層并排設(shè)置在所述二維原子晶體材料一側(cè)的第二電極；所述第二電極與絕緣層覆蓋所述二維原子晶體材料的面積之和小于所述二維原子晶體材料的面積；

所述鐵電材料與二維原子晶體材料之間僅存在范德華力；所述二維原子晶體材料的原子層層數(shù)為2～10層。

上述器件結(jié)構(gòu)工作時(shí)，第一電極與第二電極之間施加電壓，誘導(dǎo)鐵電材料極化；在第三電極施加正電壓，誘導(dǎo)二維原子晶體材料表面發(fā)射電子，同時(shí)對(duì)發(fā)射電子進(jìn)行收集。利用鐵電材料的極化電荷調(diào)節(jié)二維原子晶體材料的表面特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維原子晶體材料表面場(chǎng)發(fā)射特性的調(diào)控。

本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)的原理：