无氢非晶金刚石薄膜的制备及其电子场发射性能研究

【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。