Abstract
由於奈米碳管具有極高的縱橫比與極小的尖端曲率半徑，及具有良好穩定之物理化學特性，有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公司發展的電腦模擬程式進行奈米碳管(carbon nanotube, CNT)場發射特性模擬，我們分別針對二極式及三極式(陽極、陰極及閘極)單根奈米碳管場發射顯示元件進行模擬，探討奈米碳管的大小、形狀、長度及電壓對於奈米碳管的場發射特性的影響，以及三極式結構時閘極孔徑、碳管高度等設計參數對場發射特性的影響。模擬研究結果顯示奈米碳管的大小及形狀對發射電流有很大的影響，對具有閉口橢圓形末端的奈米碳管，電子主要是由尖端上發射，末端愈尖且發射電流愈大。若是末端為閉口平頂式的奈米碳管，電子主要由平頂圓周邊緣處發射，因邊緣處的電場最大，主要由該處圓弧形邊緣的曲率半徑大小決定該處之電場及發射電流大小，圓周半徑大小也會影響發射電流。末端為平頂但是開口的奈米碳管，其場發射特性和末端也是平頂但是閉口式的奈米碳管很相近，主要都是平頂外圈圓周邊緣在發射電子。另外也發現奈米碳管高度越高，則發射電流越大，以及奈米碳管的間距要保持約略大於2倍奈米碳管高度，才能避免奈米碳管過密造成電荷遮蔽效應使發射電流變小。由這些研究結果顯示每根碳管的結構尺寸或形狀只要有些微差異就會影響發射電流。另外從三極式場發射元件的模擬研究顯示無論是閘極的孔徑，奈米碳管高度，閘極和陰極間距都對發射電流有顯著的影響。當奈米碳管高度明顯低於閘極時，場發射電流大小對碳管的高度相當敏感，些微高度變化就會造成發射電流的改變；若奈米碳管高度遠高於閘極位置時，此時場發射電流對碳管高度並不太敏感，但會較易受到陽極操作電壓變化影響發射電流，因此較佳的設計為碳管高度保持在約略在閘極的位置。另外閘極和陰極的間距也要保持在大於閘極孔洞的半徑，才不至於影響發射電流的大小。因此在製程上須相當精準的控制每個場發射元件的結構尺寸在很小的誤差範圍內，才能作成有均勻亮度的場發射顯示器。