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无氢非晶金刚石薄膜的制备及其电子场发射性能研究

茅东升  
【摘要】:在国家<八六三>计划资助下,中国科学院上海冶金研究所 于1995年建立了国内第一台真空磁过滤弧源沉积(FAD)装置,并 成功用于非晶金刚石薄膜的制备、电子场发射性能的研究及非 晶金刚石薄膜冷阴极场发射二极管的制作。本项目研究包括非晶 金刚石薄膜的制备、掺杂、表征;电子场发射性能及其影响因素 研究;非晶金刚石薄膜阵列的刻蚀和图形化;场发射冷阴极的制 作和封装。 在国内第一台真空磁过滤弧沉积设备上,在不同的衬底偏压 下,使C~+束流获得不同的沉积能量,制备了一系列的非晶金刚石 薄膜。研究表明,非晶金刚石薄膜具有良好的性能。其SP~3键的含 量超过 85%,密度超过 3g/cm~3,禁带宽度达2.4eV,显微硬度达30~ 60GPa,厚200nm的薄膜表面粗糙度小于1nm。 采用阳极涂有荧光粉的二极管型结构对非晶金刚石薄膜的 电子场发射性能进行了研究。随薄膜中sp~3键含量的增加,电子场 发射性能随着增强。当sp~3键含量为88-90%时,其阈值电场低于 2.9V/μm。电子场发射行为符合F-N理论;发现氢等离子体表面处 理可以显著增强非晶金刚石薄膜的电子场发射性能。氢等离子 体表面处理可以去除吸附于非晶金刚石薄膜表面的沾污以及表 面大约厚度为 0.5~1.5nm的 sp~2键的非晶碳层,有效降低了表面有 效功函数。同时氢离子还可以饱和非晶金刚石薄膜表面的悬挂 键,使薄膜表面具有一定含量的C-H键,从而降低电子亲和势; 研究了等温退火对非晶金刚石薄膜电子场发射性能的影响。发 现,随退火温度的升高,其电子场发射性能基本上随着下降。但 经800℃退火30min后,其电子场发射性能反而优于未经退火的薄 膜。分析表明,其表面含有浓密的微突起,起到了几何场增强因 子的作用;氮的掺杂可以提高非晶金刚石薄膜中电子的费米能 级,降低功函数。但是氮含量的增加又可能导致薄膜中SP~2键含 M/ of 量的增加。为提高非晶金刚石薄膜的电子场发射性能,最佳的氮 掺杂量为 8—20o之问。 不同的金属界面层对非晶金刚石薄膜的电子场发射性能有 重要影响。由于金属Ti与C之间的互扩散和反应,降低了界面的 咸分突变,有效降低了界面势垒,使电子更容易地从衬底进入非 晶金刚石簿膜。当。Dry帖i经 430“C等温退火 30 dn后,其电子场发 射性能比退火前大大提高。在场强为 14.3 V/卜时,其场发射电流 密度达到2.0吕Iluvc m‘,发射点密度为Z000/m‘。界面大量Tie的形 成,进一步降低了界面势垒,从而显著改善了非晶金刚石薄膜的 电子场发射性能,特别是均匀性。由于Ti具有良好的导电性能, 与非晶金刚石薄膜直接接触后,既可以作为电极,也可以增强非 晶金刚石薄膜的电子场发射性能,固而可望应用子来来的场发 射平板显示器中。 通过离子束技术和微加工工艺的有机结合,通过对非晶金刚石 薄膜的光刻、氧反应离子束刻蚀等一系列步骤,实现了非晶金刚石 琢膜的图形化。测试表明,非晶金刚石柱状阵列具有很好的电子场 发射性能。在发射电流为7o卜A时,经数个小时,其电流的波动值小 于 5%。显示出电子发射的穗定性。在场强为 39 V/卜m时,电子场发射 电流密度达到 T 64.IIYINcmZ,发射点密度达到 T 2 xlo‘儿m\ 以Ti为界面层,制备了非晶金刚石孔洞阵列,并对其电子场发 射性能进行了研究。其阈值电场为 2.Iw卜m。在场强为 14.3*pm时, 场发射点密度达到 T 3.0~3.5 xlo勺cm‘。这是目前国际上类金刚石薄膜 范目内的最好结果。


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