（电路与系统专业论文）纳米金刚石涂层场发射阴极工艺改进及理论研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北大学硕士学t ；7 = 论文：纳米金刚石涂层场发射阴极1 ：艺改进及理论研究 摘要 场发射显示器件( f e d ) 综合了c r t 和平板显示器件的优点是当前研究的一 大热点。各种类型的金刚石材料具有优良的物理化学性能，将其作为场发射阴极 材料己成为目前f e d 开发的重要方向。 本文对纳米金刚石涂层场发射阴极的制备工艺进行了研究。对纳米金刚石粉 的分散液配方进行了改进，优化出了最佳的分散配方。对纳米金刚石粉的涂覆方 法作出了改进，提高了金刚石涂层的均匀性。对真空退火系统中的热丝结构进行 了改进，改善了热退火中热场的均匀性。采用了射频等离子体技术对样品表面进 行氢化处理，极大的提高了氢处理的效果和效率。 本文重点探索了t i c 界面层厚度和金刚石涂层厚度对场发射性能的影响，分 析比较了不同热处理温度和不同涂层厚度样品的场发射性能，确定出较为理想的 退火温度与金刚石涂层厚度的参数组合。研究了电子在场发射阴极中的输运机 理，通过在金刚石涂层中掺入钛纳米粉引入了t i c 导电沟道，提高了样品的场发 射性能。优化了射频氢等离子体处理中的重要参数，确定出了最佳的处理时间、 衬底温度、辉光压强，并对氢等离子体与纳米金刚石涂层的作用机理进行了较为 深入的分析。通过拍摄大量的发光照片，对影响发光均匀性的主要原因进行了初 步的分析。 本文采用x r d 、s e m 、e d s 、a f m 、r a m a n 等测试分析手段对样品进行了 检测分析。测试结果表面，最佳工艺下样品的阈值电压( 电流密度为2ua c m 2 ) 为1 9v um ，在1 8v u i i 】场强下的最大发射电流密度为6 1ua c m 2 。 关键词：纳米金刚石涂层场发射阴极t i c 界面层 输运机理氢等离子体处理发光均匀性 西北大学硕士学俺论文：纳米金刚石涂层场发射阴极工艺改进及理论研究 a b s t r a c t f e dd e v i c e sw i t ha l lt h ea d v a n t a g e so fc r ta n df i a tp a n e ld i s p l a y e r sh a v e b e c o m eah o ts t u d yi s s u en o w a d a y s d i a m o n dm a t e r i a l sh a v ev e r yg o o dp h y s i c a la n d c h e m i c a la b i l i t i e s u s i n gd i a m o n dt ow o r ka sc a t h o d em a t e r i a li sa ni m p o r t a n t d i r e c t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fn o v e lf e dd e v i c e s t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i c so ft h en a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n dp o w d e rc o a t i n gf e d c a t h o d ei sr e s e a r c h e d t h ed i a m o n dd i s p e r s a n tf o r m a t i o ni si m p r o v e d t h eu n i f o r m i t y o ft h ed i a m o n dc o a t i n gb e c o m e sb e t t e rb yi m p r o v i n gt h ec o a t i n gm e t h o d t h eh e a t u n i f o r m i t yf o ra n n e a l i n gi sa l s oi m p r o v e d r fp l a s m at e c h n i q u e si su s e dt oi m p r o v e t h ee f f e c t sa n de f f i c i e n c yo f h y d r o g e np l a s m at r e a t m e n t t h ei n f l u e n c e so ft h i c k n e s s e so ft h et i ci n t e r f a c el a y e ra n dd i a m o n dc o a t i n go n t h ef i e l de m i s s i o np r o p e r t i e sa r ep r i m a r i l ye x p l o r e da n dt h ei d e a lc o m b i n a t i o no f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dc o a t i n gt h i c k n e s si sd e c i d e d t h em e c h a n i s mo fe l e c t r o n s t r a n s p o r t a t i o ni nt h ed i a m o n dc o a t i n gi sr e s e a r c h e d t h ee m i s s i o nc a p a b i l i t yi s i m p r o v e db ym i x i n gt il l a n o p a r t i c l e si n t ot h ed i a m o n dc o a t i n g t h ep l a s m at r e a t m e n t t i m e ，p r e s s u r ea n dt h et e m p e r a t u r eo fs u b s t r a t ea r eo p t i m i z e da n dt h ea c t i v e m e c h a n i s mb e t w e e nh y d r o g e np l a s m aa n dd i a m o n dc o a t i n gi sr e s e a r c h e d al o to f e m i s s i o np h o t o sa r et a k e na n dt h em a i nr e a s o n si n f l u e n c i n gt h eu n i f o r m i t yo f l i g h t i n g a r ea n a l y s e d x r d 、s e m 、e d s 、a f m 、r a m a ns p e c t r aa r eu s e dt o t e s ta n da n a l y s et h e p r e p a r e df e dc a t h o d e s u s i n gt h eb e s tp r e p a r a t i o nt e c h n i c s ，w ea c h i e v eab e s t t h r e s h o l dv o l t a g eo f1 9v uma n dt h eb i g g e s tc u r r e n td e n s i t yo f6 1ua c m 2u n d e ra l l e l e c t r i cf i e l do f1 8v um k e yw o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n dc o a t i n gf e dc a t h o d et i ci n t e r f a c el a y e r h y d r o g e np l a s m at r e a t m e n t u n i f o r m i t yo fl i g h t i n g 西j 匕穴学学能论文知识产权声明书 本人完全了解学校商关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权荦位属于匿北大学。攀校有权保留并 赢潮家有关郝f 1 或枕构送交论文的复印件积电子版。本人允许论文被 查阅和借阕。学校可以将本学位论文躲全部或部分内容编入有关数据 库进行梭索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存却汇编本学 位论文。同嚣重，本人保瀣，攀延藤缝会学位论文研究谍题菇撰写的文 章一律注甓 乍者单位秀瑟j 毫大学。 保密论文待解密后道用本声鞠。 学位论文作者签名：挝 指导教师签名：邀 冲。岁年_ 6 月f 口翻阳科年孑月o h 强l 大学学位论文独剑性声戆 本人声明：艨呈交的学位论文是本人在导烬指导下进行数髯究王 作及取褥的硬究成暴。据我聪知，除了文申特别熬以糕注和致谢熬遗 方外，零论文不包含蒸毡入已经发表毁撰写过的研究成果，篷不惫含 为获褥嚣毒乏大学域其它教育税构的学位或证书丽使用过的材料。与我 一潜工作的阍志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说瞒并表示谢意。 学位论文作者签名；黼 为略年b 月e 寸霹 第一章绪论 第一章绪论 随着电子与信息科学技术的迅猛发展，显示技术作为获取信息、交流信息的 关键技术，已渗透到社会生活的各个方面，新型显示技术的研究成了各国竞相追 逐的热点。其中场发射显示器( f e d ) 有着优良的性能和强大的市场潜力，尤其是以 金刚石作为阴极材料的f e d 已成为当前研究的重点。 1 1f e d 显示特点及其优势 f e d 是上世纪8 0 年代末问世的真空微电子学的产物，是真空电子技术和半 导体微细加工技术的进一步结合。第一代成熟的f e d 借助于微细加工技术和薄 膜沉积工艺在基片上制备出上百万个微小尖锥发射体阵列，再与门电极和阳极 紧密组装构成平板发射器件，若给阴极、阳极之间加上电场，电子可以穿过表 面势垒发射出来，这种发射体密度大电流高，可实现超高亮度、高清晰显示， 且在色彩均匀显示方面具有极佳的潜力，己显示出了强大的市场潜力。 f e d 具有如下独特的优点：分辨率高、色再现性好、对比度好、响应速度快( 2l as ) 、耐严酷的高低温、抗振动冲击、电磁辐射极小、生产成本较低、易于实现 数字化显示等。f e d 具有c r t 的高图像质量，且f e d 中的电子束不需要聚焦和扫 描，使得它能达至f l c d 的超薄型。与有源矩阵液晶显示器( a m l c d ) 相比，f e d 的制造复杂性和价格都低于a m l c d ，且不需要背光，亮度和视角都增加了，功 耗消耗却减少了。同时f e d 也可实现p d p 的大面积显示。因此，它综合了c r y 和 平板显示器件的优点，结构简单，所需的零件和生产工序少、成本较低、应用范 围广，其市场潜力巨大。 1 2 场发射器件的发展历程及现状【2 1 0 1 从1 9 6 8 年美国斯坦福大学c a s p i n t 发明了场致发射体阵列并成功地采用 双源旋转镀膜技术制备了大面积钼微尖场发射体阵列( f e a ) ，实现了第一代 f e d 。以硅微尖和钼微尖为发射阴极，如1 9 8 5 年m e y e r r 等人报道的第。个利 用微尖锥型阴极的矩阵选址阴极发光平饭显示器件；1 9 9 0 年l e t i 研制出的6 英 两北大学硕士学位论文：纳米惫刚i i 涂层场发射阴极1 ：艺改进及理论研究 寸电视用2 5 6 2 5 6 象索单色f e d 和2 8 8 3 5 2 像素彩色f e d ，1 9 9 1 年试制成功 酶全篷f e d 。 龟髓采鲻酲极藩流电辍密网获蕊辍龟极技术，建高了冷臻极王 乍 的稳定性鞠均匀性，采用开关阳极鼯低了功耗，显著改善了f e d 的鼹示品质和 寿命：1 9 9 4 年，法国p i x t e c h 公司与l e t i 合作制出第一个标准规格像素为2 8 8 x 3 6 0 的6 英寸全彩色迸示嚣。鬟1 9 9 6 年9 胃，美菌的p i x t e c h 及冀本的f u t b a 公嗣善次趣世爨公蠢的5 2 英寸f e d 正式上市。 第二代f e d 的研究致力于开发具有驻佳发射性能的新型f e d ，其场发射阴 极材料应该具有较低的功函数、优秀丽稳寇的物建亿学经髓，越箭各工艺简荦成 本低壤。獒残暴包菇：c a n o n 公司予1 9 9 7 年推出麴9 英寸s e d - f e d 样虮；s a m s u n g 公司于2 0 0 0 年6 月推出的用碳纳米管( c n t ) 做阴极材料的1 j 英寸f e d 全彩色显示 器件，2 0 0 4 年用印利方式已大量生产；日本伊势电子公司已开发的1 4 5 英寸的c n t f e d ；2 0 0 4 年嚣安交大硅l 信学貌表长缝等展示靛c n tf e d 撑瓿；强及近年袁搬道熬 各种形式的金刚石材料场发射阴极器件。 目前市场上已有5 2 英寸单色、5 6 英寸和8 5 英寸全彩邑f e d 出售。s o n y 5 3 英寸v g af e d 寿命大予1 0 镰，敬c a n o n t o s h i b a 为代表f e d 熬大爨萘2 4 4 0 英寸监视器及t v 产品将与p d p 形成对抗，其裳面电导发射体s e d 尺寸在7 b 一1 2 7 c i i l 范豳，f e d 将成为p d p 的替代晶。s a m s u n gs d i 预计在2 0 0 6 年推出灰度2 6 0 、分辨率 1 2 8 0 x1 0 2 4 酌3 2 英寸赢貉囊c n t - f e d ，著力争实璇8 1 c m 彩色电鞔祆f 秘实塌瓣标。 1 3 场发射器件的技术状况睁3 ，”2 j 】 i 3 1 场发射阴极的分类 厂金属微尖型 f 尖锥型 硅尖锻型 |l 混台型 场发射阴檄分类r念刚石、类金刚石薄 i 平面薄膜型 曩鬻。， l 碳纳米箭 圈1 t 场发射器件的阴极结构 第一章绪论 图卜1 列出了场发射阴极的各种类裂，它们都具有自己的优点和缺陷，下颟 分别予以介绍； 1 。尖锤型簿瓣场发鼓骥援 这是利髑尖端效应以增强发射体附派电场降低工作电压减小功耗与成本的 发射体形式。当尖端曲率半径减小至纳米量缎，并尽凰减小门极孔径时，尖端的 足舞放大趣予哥这到l 扩l o m - 1 ，只嚣热冗卡获甚至卡蔻获逮疰，裁可菠尖壤场 强达到1 07 v e m ，产生稳定的场发射。 图1 - 2 微失阵列不意图 发展较早且比较成熟的微尖型阴极一般甩难熔金属镭，钨等制成，选用雕 搬、撩扳、籀极的三极瞽络构。其镧 乍关键在于双两沉积以形成予门极孑t 径自 对中的金属微尖锥，如图1 2 所示。另外还有应用半导体工艺制作的硅尖锥型 阴极。以及农惫属尖锥或醚尖锥表蘧聚集或生长一层低功函数材料，如 c s ，t a ，p d ，p t t a 以及类金剐褥戚纳米金剐石，以降低发翦于失表面逸躐功丽提高发 射能力，降低门控电压，掇高可靠性和辫命的混合型阴极。 然而尖锥溅场发射弱擞铡备王艺复杂，成本离，举易傲成大瑟羧，于是人们 将强光授商工藏简单戆平瑟薄膜型场发射阴极。 2 平面薄膜溅场发射阴檄； 疆羰鳃岽篱( q 娃) ? 凳囊俸熬场发射瓣稷是近年疆究瓣热患。宅蠢霜了簸 纳米管顶端极小的越率半径会形成强大的表面电场，以实现低压场发射，是将碳 纳米管和金属粉米混合制成浆料，印刷农阴极基板上，褥配以极为精密的会属栅 掇露裁成熬。褥大瑟获、玲匀c n t n 极囊l 造技术还有德于遘一步戮究。 表面导电发射体( s e d ) 阴极也属于平丽薄膜型，s e d 发射体用喷墨技术涂敷， 平面电极采用印刷技术。阴极用喷墨头涂敷一层p d o 薄膜，电极m 加高压击穿 p d o 薄貘形成1 0 n r a 缝蒙，瓣嚣l 一3 ，萁藤缀龟压5 0 0 v ，i 电子击发焚光发光，瀵 两北大学硕士学位论文：纳米金i n t , 涂层场发射阴极1 艺改进及理论研究 耗电极功率仅占2 3 ，但电子离散角大，分辨率低。 幽1 - 3s e d 的一f ：作示意图 基于金刚石材料的平面型场发射阴极是把阴极材料( 金刚石薄膜、类金刚石 薄膜、纳米金刚石粉) 直接生长或涂覆在相应衬底上，利用金刚石薄膜表面会刚 石颗粒的自然棱角和尖端作为场发射体就可获得较好的发射性能，而不需要工 艺复杂的尖端结构。 1 3 2 实用的场发射器件结构 1 三极管型结构 o5o m l i n $ , d a t c , f f = l r n s * 。0 f 1d i o x d e ，钟椰g 耐e i 西叁酉蚕叁函m 叁 t a 匿l m o 划c 钟e 。、l， 帕5 e 图l - 4 微尖f e d 的单像素三级管型结构图 图1 4 给出三极管型场发射阴极结构。由阳极、栅极和阴极阵列三个部分 构成。阳极一般由前玻璃板、透明导电膜、以及涂覆在其上的荧光粉构成。阴 极一般以玻璃或硅作为衬底，包括发射体、阴极导电层。阴极和栅极间有绝缘 屠场发射阴极和阳极的基板之白j 设有隔离柱以抵抗外界大气压力，并使二块 、 基扳的间距保持在2 0 0 um 左右范围内，上下基板对准后四周以低熔点玻璃粉 密封，经烘烤、排气、封离等标准的电真空工艺就制成了f e d 器件。 为了显示图像或活动画面，采用矩阵选址结构，如将阴极和栅极阵列分割 4 第一镦绪论 残互糖垂壹款多条豢坟绣捻，孛翊为绝缘屡。对于彩毪f e d ，每个橡素要出三 条栅极带构成，相应地阳极也要涂三条三原色的荧光粉。所有像綮阳极为整体 i t o 膜。这种f e d 称为非歼关式阳极结构。也可以将阳极分割成多组三电极三 嚣色彩条，麸蕊援露疆极溅方嚣实行簸黪选疆控裁。援壤主热足够塞戆正电压 时将电子从艘射体上引出，再经相应的阳极电压加遽轰击到荧光群上，点亮荧 光粉，在阳极基板外面就可以观察到这种颜色的显示。这种f e d 被称为开关式 麓缀缝秘。 对于f e a 结构，发射尖锥益率半径很小( 2 0 5 0 n m ) ，门及孔径1 “m ， 两者间加以几十伏至一百几十伏电压就会形成很强的电场( 1 0 7 v c m ) ，微尖 镶发瓣龟予密凌哥隧继撂缓嵩( 1 0 5 c m t ) ，以获霉缀麓翡发藜毫浚密褒( 1 1 0 0 0 m a c 舒) 。 2 二极管型结构： 由于余耐石薄膜、类金剐石薄膜、或纳米碳管麓在低电场下发鸯幸的电流密 度很高，其场发射阴极不需要栅极，可采用二极管烈结构，如图1 - 5 所示。 ：极管掣场发自十照器利用【h 6 & 遗榉舞现二：饭管f e d 显i i 翁扳玻璃2 i t o 瞪电膜3 荧光鹾4 薄膜阴极5 电姒层6 底扳7 蛾子束 豳1 5 二辍镣露 场发射显示器 阴极简化后需要一块商质量的阳极檄。由于场发射的反应非常快，约小于 2 p , s ，可将照极傲成一个酶列，把r g b 兰萃申颜色的发光材料分别涂在阳极上， 霈要哪个基点发光，只菘将这个基点的选择开关努开，电子就可以驭阴极上发 射出来，在电场的作用下打到被选中的阳极基点上，使其发光，实现特定要求 溥显示。 实际中采糟二极管型遥建三极管黧，楚以所嗣戮缀材辩为依据懿，如二裰 管型阴极结构所用阴极材料为宽带隙的会刚石材料，这材料不需制成尖锥形， 断北人学硕十学位论文：纳米金刚年i 滁层场发射阴极：i ：= 艺改进及理论研究 不需栅极，就可在较低电场下发射电流。 1 。4 论文选题及研究内容 l 。4 1 疆前f e d 存在的闯题及研究方囊 嚣藏f 国豹兰要骚究方怒在于：t 、发瓣俸发瓣极钊豹磅究；2 、牲麓爨异兹 新溅实用场发射材料的开发；3 、更加优化器件参数结构、尤其是阳极电腻的设 计；4 、开发更加简便、低廉的器件制备工艺：5 、扩大攫示磷积，改善发射稳定 霞萃鼙均匀洼：6 、撵赢寿余、降低潮造成零。 目前已经使用的阴极材料有金属、半导体和宽带隙材料，金属钢( m o ) 和半 导体s i 制成的纳米尺度的微尖阵列，虽可以产生很高的电流密度，但功函数太高， 绥发雳季需要裙警高静魄压( 约1 0 0 v 驻琢) 。高垂下离予会与徽失表磷疆撞、并蠢 微尖扩散丽产生污染，加之它们脆性大，微尖受离子碰撞质场发射稳定性变差， 同时高聪场发射过程中的热效应使场发射性能降低，如金属尖端电子发射会引起 英尖端钝亿。舅矫制餐均匀豹微尖阵弼工艺复杂，器件稍俸成本禳高，也徽难实 现大屏幕，困聪其应腭受到限制。出于f e d 中阳投结橡、支撑技术和封接等方面 改进的余地很小，生产成本取决于阴极。寻找新的具有优异场发射性能的村料成 为当务之急。 1 4 2 金刚石场发射阴极材料的研究现状 自从9 0 年代初期荧国俄亥俄大学的c w a n g 等通过实验证实会刚石薄膜具有 良好的电子发射性髓瞅柬，由于金削石木于料具有极高的硬度、良荮的耐蘑髓、很 低豹热彩鞭系数、壤裹戆热撼率、嶷努豹化学稳定蛙、毫豹载渡子迓移辜、戈其 它是唯一的一种能在大气中稳定保持负电亲合势的材料，因此被普遍认为避一种 出色的场发射材料，对其发射性能的研究成为当酊的热点课麓。许多科学工作者 对答耱方法铡备豹金刚石孛毒瓣兹场发射攮能逡行了礤究，菠德基于金剥五糖羁豹 场发射阴极有了很大的发展。如b ，b a r a l 等人在1 9 9 7 年制备的c v d 多晶金刚石薄 膜，经掺硼和氨处理后在1 5 w pm 的电场下发射电流衔度达到1 0 “a c m 引“”。 到2 0 毫：，l i 等人杰鬣量片上鬻c v d 法雀长岛掺氮金石薄黢，其场发蘩螺醢这4 6 第一章绪论 v um i ”i 。冯涛等人采用真空磁过滤弧沉积法制备的类金刚石薄膜的场发射阂值 乜压达到2 1v um ，1 4 3v l - tn l 的f f _ l 场下屯流密度为1 2 3 m a c m 2i n 。s g w a n g 等人用微波c v d 法制备了品粒尺寸为1 5 - 2 0 n m 的纳米会刚石薄膜，其发射闽值为 2 7 v um ，6 4 v 1 1m 的电场下电流密度高达7 2 0 “a c m 2 州。d 日乐喜等人将普通 爆炸法制备出的纳米会刚石粉涂覆与硅片上作为场发射阴檄材料，其开启电压为 3 2 v u m ，最大r 流密度能达到1 3 0 1 t a c m 2 。图i - 6 比较了各种会刚石材料的 场发射电流密度和电场强度的关系【2 “。一1 j 以看到，纳米结构的令刚石材料的场 发射性能最佳，具有极大的发展潜力。 e l e c t r i cr e i d v 扯m ) 幽1 6 再种金刚i l 材料的场发利il t _ , j l 密度和【u 场妊度的关系 1 4 3 本文主要的研究内容 我们采用一个高速的、低成本的、适合大面积、并能批量生产的阴极制造工 艺，将金刚石纳米粉的悬浮液均匀涂覆在金属片上，并在真空中进行热处理实现 金刚石颗粒与金属衬底的牢固粘结和欧姆接触：将退火处理后的样品进行氢等离 子体处理，使其表面呈现负电亲和势，从而降低阂值电压、提高发射电流、改善 发光的均匀性。 本文主要从以下几个方面进行研究： 1 、对纳米会刚石涂层场发射阴极的制备工艺进行改进和完善。 2 、研究温度对钛与金刚石粉的热键合程度的影响，以及键合后生成的t i c 界面 层厚度对场发射性能的影日m 确定出最佳热退火温度范吲。 一su，ve一c言芒-匕jo 西北火学硕士学协论文：纳米金目峨i 涂层场发射阴极工艺改进及理论研究 3 、疆究众蹦石涂层厚发对场发射性缝豹影璃。钛续米粉豹掺入瓣场发射性熊鼹 改善，将理论与试验结果相结合，对金刚石层内部的电子输远机理迸行分析。 4 、研究甄等离子体处理对场发射性能的影响。通过对氢处理时的衬底温度、处 理对瓣、糁麦压强簿几个重要参数豹磺究，确定出最为理戆黪氢处理王蕊。 并分析氢等离子体与金刚石之矧的作用机理。 5 、通过拍摄样品的发光照片对样品的发光均匀性进行研究，确定出影响发光均 每牲鹣关键因素。 第二章璐致电予发射理论 第二章场致电子发射理论 沥致电予发射是通过外热电场改变裘面势垒，使萁赢度降低、宽度变窄蕊发 糖电子游。努热电场融金疆表嚣兹势鼹分蠢发生交纯，随豢终热电臻夔增大，势 垒高度随之降低，势魑也从无限宽变为有限宽，达到与电子波长相比拟的大小， 发袈体蠹兹大量电予繇使在缀嚣零疫氇哥鬣蘧遂效斑穷透表露势垒大量逸毫，黪 成场致电子发射。场数电子发射没有时间延迟、功耗低，是一种非常有效静电子 发射方式。 2 。1f _ n 电子场发射理论简奔 2 。1 。l 卜n 场发射瞧流公式玲，2 越露 r h f o w l e r ( 福秘) 和l 、w n o r d h e i m ( 诺德海姆) 于1 9 2 8 年提出了f n 电子场 发身寸理论洲，并推导嫂了金属电子场发射戆定量方程式。为了推导过程的麓化， 他们提出如下4 个合理的假定： 1 、仪考虑缝对零发下蛩带孛夔患予，葵分蠢符合f e r m i d i r a c 统计： 2 、仅考虑令属表颟为一无限大孤立光滑平面，忽略其服予尺度的不规贝唾； 3 、认为金藩表藤逡蠢葫是均匀分布懿： 4 、考虑经典镜像力和外电场作用。 在上述理想象件下金属在t = o k 时酶弦致邀予发骞| 电流密度公式鼍袭述秀： = 孟吲一蜷3 h e e 堋e z 叫 上式中，磊为终瓣零度辩毫子场发射魄浚密凄( 蒸单爱为a e m ：) 。# 是魄子 豹电豢，h 是謦甥竟鬻量，m 为电子的露效威燕，e 为遗l 场强度( 摹位置j v c m ) ， 焉金糕的功函数( 单位为e v ) 。玛：堡瓷生是镜像电麓对功函数的蹲低作用， ，! ( j j ，) 1 。l ，v ( y ) 称为o r d h e ih 1 函数，其德可通过态表获得。 9 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石涂胺场发射阴极 ：芑改进及理论研究 公式( 2 1 ) 中，没有考虑温度的影响，实验证明在1 0 0 0 k 以下时濑度对场发 射的影响穰小。这是由于金属的电子遵从费米分稚，当添度不楚很高时e 靖e 缀以 上静邀子缀少，戮忿蒸笈射酶瞧子穰少。魏采考惑蘩湿度瓣影穗，( 2 - 1 ) 式改为 蹈瀚意( 2 - - 2 ) d 一兰髦 4 石2 卅脚( 如果场强为e = 4x1 0 7 ( v c m ) ，会剐石的有效功函数e m = 4 5e v ，蝴t = 3 0 0 k 时a ( r ) 一1 0 3 j ( o ) 。但是当t = i o o o k 时，j ( r ) 一1 5 j ( o ) ，此时不能忽略热电子发 射的影响。因此程室温下对纳米金刚石涂层冷阴极进行场发射髓能测试是合逢 魏。 对于尖锥形的发射体而言，其尖锥的曲率半径越大，尖锥顶部的电场越强。 即e $ u v 之间的关系不仅与电极间距有关，还与发射体的几何形状、尺寸大小有 关，觳将表逸为： e = f l y ( 2 - - 3 ) 其中，筘为场增强因子( 量纲c m 1 ) ，与发射体几何尺寸有关，发射体表面曲率 愈大，其p 值愈大。b r o d i e $ 1 s c h w o e b e l 矛l j 用“同心圆球模型”推导出的数学表 达示为： 疗：墨一。一1 ( 2 4 ) 女“r r 1 k r 其中，r 为发射体到阳极的距离，r 为发射体的尖端半径，且有r r ，k 是与发射 体本身形状有关静常数，满跫1 、碥。，形成疆接溪式接魅， 能级图如图4 - 2 所示，接触势垒很小，金网石导带e c 向上的弯媳量为q v d = w m t i c w 。一o 2 4 e v ( w t i 。w 。 1 2 7 e v ) ，电子从碳化钛到会刚石的势垒高度q 中。 为0 4 7e v 也就降低缀多。碳化钛弱金雕石的势垒与图4 1 眈较，势垒高度邈著 降低了。 由( 4 1 ) 式可得碳化钛与n 型会刚石的势垒宽度： 斗笪警h 瓮精警 l 2 e 1 9 x 1 0 - 7 c m = 1 9 ，删 n 型金剐“ 蚓4 - 2 碳化钛与n 型金目0 t i 接触能级蹦 按照附面的分析可知，谈亿铰每n 登会刚石的势垒高度q 审n s 较小为0 4 7 e v ( q v d 援小0 3e v ) ，并且势垒爨发也投小了缀多。因此，理论上碳化钛与n 第四章t i c 界面层对场发射性能的影响 型金刚石接触的正向的电流密度应该最大。但应当注意到，实际制各中碳化钛 的厚度会随着热粘接工艺参数的改变而变化，加之形成接触之前表面的状态非 常复杂因而其对电流密度的影 进一步说明问题。 4 1 2 金属钛与金刚石的 响还有许多不确定的因素，必须通过实验结果来 欧姆接触 5 5 - 5 9 】 钛是强碳化物形成元素，很容易与碳形成金属问化合物和有限固溶体。碳在 钛中的扩散常数比碳在其他金属中的扩散常数高好几个数量级。一定温度下，将 与金刚石界面发生固相反应生成碳化钛。由于钛的原子半径与碳的原子半径之比 r c r 眦 o 5 9 ，符合形成问隙相的条件，因此在界面反应过程中，小直径的碳原子间 隙扩散进入会属层，并达到形成碳化物的浓度，形成相应的碳化物。 从化学键的角度来看，t i c 是一种具有复杂化学键成分的化合物，含有共价 键、离子键的成份。同时，过渡金属原子中电子之间的相互作用也使其具有一定 的金属键成份。从t i c 的相图中可以发现，t i c 实际上是一种非化学计量化合物 t i c h ( o t l ，t e h ( t 。、t i 、t 。分别是电子、离子、中性粒子的温度) 的等离子体称为低温等离子体( c o l dp l a s m a ) 。目前主要的低温等离子体激励技 术寿：d c 敖电、r f ( 射频) 放电、徽渡坡邀、电晕敷恕、奔覆疆撞敖邀、辩频电 攀放电、滑动电弧放电等。氢等离子体常用于辅助c v d 法制备会刚石、类金刚 石薄膜的制备，余剐石表面的等离子体抛光、清沈、刻蚀等。 6 。1 1 射频等离子体技术1 6 黼7 l 匆 ： 呈 c 墓 王 燃6 - 1 射额等离子体系统豹结构莲专意翻 典型的射频等离子体系统的结丰奄如豳6 一l 所示。射频源部分的工作频率在 兆特兹以上，j j 牢i 州周。眠配译元将射频源和电极通过电容耦合连接起采，通 西北大学硕士学位论文：纳米金刚石涂层场发射阴极i ：艺改进及理论研究 过调节祸合单兀的各级电容可以实现射频功率的最有效利用。放电区域的两个 极扳的面积不同，等离子体具有的准电中性使得流过两极板的离子流密度相等， 因而大极板上的离子电流强于小极板，导致小极板的电位始终低于大极板，形 成一定的电势差称为偏转电位v b 。 在射频等离子系统中，f 离子的移动能力随射频频率，和两极板问距d 的 改变而改变。设交变电场e = e o c o s ( o ，极问距为d ，k i 为正离子的迁移率，那 z , 电压峰值之后正离子的移动距离为： z = e o tk _ 7 f 。c o s 0 9 耐( c o t ) = 等s i n r 睁， 为了计算在1 4 个周期内正离子能够通过的极间距离，将耐= 必代入上式得： x q ：k i e o ( 6 2 ) 为了使正离子能够在半个周期内通过整个极板间距，必须满足ds2 x 。即： 将= 2 , , r f 带入上式得： d 2 生& r 生生 。 石d ( 6 3 ) ( 6 4 ) 由上述推导可知，要使正离子在半个