非晶碳基薄膜的纳米结构特性和局域场发射特性研究

摘要

非晶碳基薄膜是重要的薄膜型冷阴极材料，在场致电子发射器件中有重要的用途。本论文集中研究三类非晶碳基薄膜的纳米结构和局域场致电子发射特性，包括非晶碳薄膜(含sp<'2>相碳约为50％)、类金刚石薄膜(含sp<'3>相碳大于70％)和嵌入了纳米金刚石团簇的类金刚石薄膜。主要开展了下面三大方面的工作： 1.首次系统地研究了氢处理对磁过滤真空弧等离子体沉积的不同厚度的非晶碳薄膜的成分、表面结构特性、表面电导分布和表面功函数分布以及场致电子发射特性的影响。发现氢处理后非晶碳薄膜表面形成大量sp<'3>相的纳米结构，这些结构增强了薄膜的电子发射。同时发现薄膜的厚度对非晶碳薄膜的场致电子发射特性有明显的影响。 2.研究了氢处理后类金刚石薄膜的局域场致电子发射特性，发现在STM的形貌中，表面凹陷处的发射较强，并且电子发射规律符合FN理论。结合扫描隧道谱的研究认为凹陷处的缺陷辅助了电子的发射。研究了局域场致电子发射对类金刚石薄膜结构的影响，发现局域的场致电子可以导致局域能带的变化，在费米能级两边产生两个新能级，能级之间的宽度与纳米金刚石一致，从而揭示了场致电子发射诱导碳的非晶sp<'3>结构向纳米金刚石转变的可能性。 3.采用电泳沉积的方法将具有完整sp<'3>结构的纳米金刚石团簇均匀地分散到硅片表面，结合磁过滤真空弧等离子体沉积将纳米金刚石团簇均匀地嵌入到类金刚石薄膜中。结合宏观的场致电子发射测试方法和微观的扫描探针显微镜法对制备的薄膜的宏观场致电子发射特性、微观的形貌结构、电学特性、场致电子发射特性进行了综合的表征，提出了薄膜结构形成的机理。发现新制备的薄膜的平均开启电场比类金刚石薄膜低了3.6MV/m。发射址数目增加，分布更加均匀。通过微观场致电子发射测试确定了薄膜中电子发射来自于纳米金刚石团簇所在的区域，电子发射为肖特基发射。本研究认为纳米金刚石团簇的低电子亲和势和强烈的内部电场穿透是导致发射特性增强的关键所在，并且给出了电子发射的图像。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章导论

1.1真空微纳电子技术的发展及应用

1.2金刚石及非晶碳基冷阴极薄膜的场致电子发射研究背景

1.3本论文的研究目的和内容安排

参考文献

第二章实验技术原理及校正

2.1磁过滤真空弧等离子体沉积技术

2.2宏观场致电子发射测试方法

2.3扫描探针显微镜与场致电子发射测试

参考文献

第三章氢处理对非晶碳薄膜场致电子发射特性的影响

3.1样品制备

3.2氢处理对不同厚度的非晶碳薄膜结构的影响

3.3非晶碳薄膜的场致电子发射特性测试

3.4氢处理后非晶碳薄膜微区电学特性表征

3.5讨论分析

3.6小结

参考文献

第四章类金刚石薄膜的扫描隧道显微镜和扫描隧道谱研究

4.1样品制备

4.2类金刚石薄膜的扫描隧道显微镜研究

4.3类金刚石薄膜的微区场致电子发射研究

4.4场致电子发射诱导下类金刚石薄膜微分隧道谱的变化

4.5类金刚石薄膜微区相变的机理探讨

4.6小结

参考文献

第五章嵌入纳米金刚石团簇的类金刚石薄膜的场致电子发射特性研究

5.1纳米金刚石团簇的电泳沉积

5.2类金刚石薄膜的沉积和嵌入纳米金刚石团簇的类金刚石薄膜的表征

5.3嵌入纳米金刚石团簇的类金刚石薄膜的场致电子发射特性测试

5.4嵌入纳米金刚石团簇的类金刚石薄膜微区场致电子发射研究

5.5小结

参考文献

第六章薄膜型阴极结构优化的讨论

第七章结论

附录

致谢