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本论文以研制满足大屏幕场发射显示需要的电子源为目标,以简单的器件结构和低成本的制作工艺为前提,分别对纵向和横向薄膜场发射阴极进行了探索性的研究。对于金属-绝缘体-半导体-金属（MISM）型纵向薄膜场发射阴极,使用具有低电子亲和势的材料Zn0.75Mg0.25O作为半导体层对器件进行优化,并通过使用金属界面态控制层来引入界面态电子能级,制作的阴极与使用ZnS作半导体层的阴极相比,电子发射率有了显著的提高,达到了0.055%。论文提出并实现了两种基于不连续薄膜的新型横向薄膜场发射阴极。对这类场发射阴极来说,核心问题是以简单的工艺和材料实现薄膜的不连续结构并方便地控制其结构参数,即岛的尺度大小和分布,使得均匀性、稳定性、发射能力等指标都达到实际显示器件的要求。第一种阴极采用基于多孔氧化铝和无定形碳的双层传导薄膜,其中氧化铝薄膜的表面具有横向尺寸为300 nm的特殊凹陷结构,是对常规多孔氧化铝薄膜进行腐蚀形成的。在起伏表面上蒸发碳-金-碳复合膜后,凹陷结构四周边缘处导电薄膜的电阻较大,施加电压时,可以在这些边缘处实现有效的电子发射。第二种阴极的提出是为了进一步简化制作工艺,并提高发射性能。该阴极的传导发射层采用以金属铋膜为掩模干法刻蚀得到的具有纳米岛结构的单层不连续碳膜,在百纳米量级的大岛间分布着一些小于10纳米的小岛,构成了有效发射体。通过调整铋膜沉积条件和刻蚀参数,可以有效的控制碳膜结构,改善发射特性。采用上述两种不连续薄膜制作的横向结构的阴极都可以实现均匀稳定的电子发射,发射电流的瞬时波动小于5%,基本满足了大屏幕显示对稳定性的要求。当栅极电压为45 V左右,阳极电压为3 kV时,发射率分别大于2%和2.5%。通过对实验数据进行拟合计算可知,若阳极电压为通常使用的10 kV,发射率可达5%,是实用化最低要求值的5倍。论文还研究了真空度对阴极发射特性的影响,并从量子尺寸效应和隧穿效应出发,对基于不连续碳膜的阴极电子发射机理给出解释,并得到实验验证。