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电化学沉积类金刚石薄膜及其场发射性能研究

李瑞山  
【摘要】: 类金刚石碳(diamond-like carbon, DLC)是一类含有大量sp~3相碳的非晶亚稳碳材料的统称。DLC薄膜由于具有高硬度、化学稳定性、高光学透过率和比较宽的光学带隙,有非常广泛的应用前景,尤其是作为真空微电子器件的场发射阴极材料,近几年倍受关注。很多物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法都能制备DLC薄膜。但是气相制备方法难以实现大尺度沉积,并且成本较高,因此寻找一种低成本、可大尺度沉积的方法迫在眉睫。 近几年Namba等人实践了液相电化学沉积DLC薄膜。与气相方法相比较,液相方法具有设备简单、成本低、实验温度低、实验易控制等特点。在研究者的努力下,液相电化学沉积DLC薄膜取得了很大的进展。 本论文主要探索利用电化学方法制备DLC薄膜,并对其场发射性质进行研究,主要内容包括: 1.常压下,在不同的直流电压下电解甲醇溶液在铝衬底表面制备DLC薄膜。利用SEM、FTIR、XPS和Raman光谱对薄膜的表面形貌和微结构进行了检测。随着沉积电压的上升,DLC薄膜中的sp~2相含量下降,且薄膜的表面形貌有显著地变化。这两个因素同时对DLC薄膜场发射性质产生影响,使DLC薄膜的场发射性质随沉积电压发生非单调变化。在1200V下沉积的DLC薄膜显示了最优的场发射性质。 2.600V直流电压下,利用不同摩尔比的尿素/甲醇溶液为电解液在Si(100)表面沉积了不同氮含量的掺氮类金刚石(DLC:N)薄膜。XPS、FTIR和Raman检测显示氮元素与碳元素以C-N或C=N方式结合,并且氮元素的掺杂有利于薄膜中sp~2相的形成。对不同氮含量DLC:N薄膜场发射性质检测发现:场发射开启电场随着薄膜中氮含量的增加而降低,同时23.5 V/μm电场下场发射电流密度随着氮含量的增加而上升。氮含量增加对液相电沉积DLC:N薄膜场发射性质的提高是由于氮元素的施主电掺杂作用和薄膜中sp~2相的增加。 3.在前面实验的基础上,利用简单的电化学装置,电解N,N-二甲基甲酰胺在衬底两面同时沉积了DLC薄膜。Raman检测显示铝衬底两面DLC薄膜不同位置的微结构高度相似,厚度分布在260-300nm。针对导电性衬底两面同时沉积DLC薄膜提出了一个简单的理论模型。铝衬底两面同时沉积DLC薄膜为在三维复杂结构衬底表面全方位沉积DLC薄膜提供了可能性。


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