Ag离子注入自支撑金刚石膜微结构及场发射性能研究

摘要

离子注入掺杂是一种改善金刚石膜导电性能的有效手段，经过掺杂后的金刚石膜有望提高场发射显示器冷阴极材料的综合性能。因此，本文采用离子注入的方法在抛光后的自支撑金刚石（FSDP）膜和本征FSD膜中掺入80 keV、5×1016ions/cm2的Ag离子，并在不同的气氛和温度下进行退火处理，以期改进金刚石膜的场发射性能。采用场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜、掠入射X射线衍射仪、激光Raman光谱仪和X射线光电子能谱仪对样品进行微结构表征，采用霍尔效应、高真空场发射测试研究了样品的电学性能和场发射特性。系统研究了Ag离子注入、不同退火气氛和不同退火温度对FSD膜的微结构和场发射性能的影响。主要研究内容及结果如下：
　　（1）对Ag离子注入的FSDP膜在Ar气氛500℃下进行退火处理，系统研究了Ag离子注入及退火对FSDP膜微结构和场发射性能的影响。结果表明：Ag离子注入能在 FSDP膜近表面引入 Ag纳米颗粒（NPs），并催化石墨相的产生，为电子的传输提供导电通道，明显改善了FSDP膜的载流子迁移率（16.24 cm2V-1s-1）和开启电场（E0=18 V/μm）。500℃退火不仅使离子注入造成的损伤得以恢复，而且促进Ag NPs颗粒均匀长大，使FSDP膜在25.79 V/μm的电场下取得101.15μA/cm2的电流密度。
　　（2）对Ag离子注入的FSD膜分别在Ar、N2、H2、O2四种气氛下进行500℃的退火处理，系统研究了退火气氛对FSD膜微结构和场发射性能的影响。结果表明：离子注入导致FSD膜中部分sp3碳键的断裂，形成sp2碳键和其它悬挂键。注入后的FSD膜在Ar气氛中退火后被刻蚀、石墨相消失，Ag NPs长大并部分蒸发，其导电性没有明显改变。而经N2和H2气氛中退火后，FSD膜近表面Ag NPs得以均匀分散，并促使无定型碳转变为石墨相。尤其是N2中生成了纳米石墨相，显著降低了FSD膜的开启电场（E0=4.08 V/μm），并在7.28 V/μm电场下得到了高达78.34μA/cm2的电流密度。然而，O2气氛中退火，Ag NPs团聚长大，并有AgO出现。FSD膜中sp2碳键优先蒸发分解，氧化作用显著，不利于FSD膜场发射性能的改善。
　　（3）对Ag离子注入的FSD膜分别在Ar、N2、H2、O2四种气氛下进行300℃～700℃的退火处理，采用 Raman光谱系统分析了 Ag离子注入FSD膜的相成分在不同气氛中的热演变规律。结果表明：Ar和O2气氛退火不利于FSD膜中石墨相的维持，分别在500℃和400℃及以上温度，石墨相消失，留下极少量的无定形碳。N2和H2气氛下退火，均随退火温度的升高发生无定型碳向稳定石墨相的转变，并分别在500℃和600℃下生成纳米石墨相。不同的是H2气氛退火在较高温度下仍能保持FSD膜中纳米石墨相的稳定，而N2气氛退火在较高温度下纳米石墨相有向sp3碳转变的趋势。因此，通过调控退火气氛和温度将对FSD膜微结构和场发射性能的改善有重要意义。

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第一章 绪论

引言

1.1场发射

1.2．金刚石材料

1.3金刚石膜的掺杂研究

1.4问题的提出及本文的主要研究内容

第二章 实验方法与原理

2.1自支撑金刚石样品的制备

2.2 Ag离子注入及退火方案

2.3测试方法及原理

第三章Ag离子注入及退火对FSDP膜微结构和场发射性能的影响

3.1引言

3.2结构、成分及形貌表征

3.3电学性能表征

3.4本章小结

第四章 不同气氛下退火对Ag离子注入FSD膜微结构和场发射性能的影响

4.1引言

4.2场发射性能分析

4.3结构、成分及形貌表征

4.4本章小结

第五章 退火温度和气氛对Ag离子注入FSD膜相成分的影响

5.1引言

5.2 Raman光谱分析

5.3本章小结

第六章 结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢