热丝化学气相沉积金刚石薄膜及其场发射性能研究

摘要

金刚石薄膜具有良好的化学稳定性、较低的功函数和电子亲和势等优异的物理化学特性，是一种在真空微电子器件和平板显示器等方面有着广阔应用前景的场发射冷阴极材料。因此，对金刚石薄膜组织结构和场发射性能的研究具有重要的学术价值和应用背景。本文在对CVD设备的热丝拉伸装置、热丝与进气口距离以及样品台旋转进行改造的基础上，采用热丝化学气相沉积方法在基底单晶硅（100）表面沉积金刚石薄膜；采用XRD、Raman和XPS等测试方法表征金刚石薄膜的微观结构，通过EFE和Hall效应测试其电学特性和场发射性能；研究了反应气压、碳源浓度、氩气浓度及金属过渡层对金刚石薄膜微观结构和场发射性能的影响，并对金属过渡层改善微米金刚石薄膜场发射性能的机理进行了详细分析，主要研究结果如下：
　　反应气压、碳源浓度、氩气浓度及金属过渡层对金刚石薄膜的微观结构均有显著的影响。其中碳源浓度对金刚石的晶粒尺寸调控最为明显，随着甲烷浓度的降低，金刚石的晶粒尺寸由纳米量级逐渐变为微米级，在甲烷浓度为2.8％时晶粒尺寸可达到2.35μm；反应气压对膜层沉积速率的影响最显著，膜层沉积速率随着反应气压的降低逐渐增大，在反应气压为1.5 kPa时沉积速率可达6.2μm/h；氩气浓度的变化和金属过渡层的添加对金刚石薄膜组织结构和相成分有显著的调控影响，使金刚石薄膜中非金刚石相发生明显的变化。
　　通过不同工艺对金刚石薄膜结构的调控，实现了对其场发射性能的优化。在H2/CH4反应体系中，当反应气压为4 kPa和甲烷浓度为14.3%时，金属过渡层的引入使微米金刚石/金属/硅复合薄膜的电学性能和场发射性能增强， MCD/W/Si复合薄膜电导率比无过渡层高两个数量级；开启场强为5.4 V/μm，比无过渡层降低了44%；场发射电流密度在电场强度为8.9 V/μm时可达到1482μA/cm2。金属过渡层不仅改善膜基界面特性，疏通电子迁移的界面通道，而且使金刚石薄膜内sp2碳含量增加，为电子运输提供更多导电通道，有益于获得更高的场发射电流，进而表现出良好的场发射性能。在 H2/CH4/Ar反应体系中制备的金刚石薄膜表现出较优异的场发射性能，随着 Ar浓度增加，场发射性能显著增强，其中当反应气压为2 kPa、甲烷浓度为14.3%、氩气浓度为45.7%时，表现出最优的场发射性能，开启场强低至3.8 V/μm、场发射电流密度在6.5 V/μm时可达2125μA/cm2。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 金刚石薄膜特性及其发展历程

1.2 化学气相沉积金刚石薄膜方法及热丝CVD装置

1.3 用于场发射阴极材料的金刚石薄膜

1.4 研究背景及主要内容

第2章 实验方法

2.1 实验设备简介

2.2 金刚石薄膜制备工艺

2.3 测试方法及原理

第3章 HFCVD设备结构调整与设计改进

3.1 引言

3.2 CVD设备结构设计与调整

3.3 CVD设备改造与效果

3.4 本章小结

第4章 金刚石薄膜制备与场发射性能研究

4.1 引言

4.2 反应气压对金刚石薄膜结构和场发射性能的影响

4.3 碳源浓度对金刚石薄膜结构和场发射性能的影响

4.4 氩气浓度对金刚石薄膜结构和场发射性能的影响

4.5 本章小结

第5章 金刚石/金属/硅复合薄膜场发射性能研究

5.1 引言

5.2 金属过渡层对金刚石薄膜结构的影响

5.3 金属过渡层增强金刚石薄膜场发射性能的机理研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢