掺氮纳米金刚石薄膜的微观结构对微波场发射性能影响

摘要

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法,通过改变CH_4浓度,在单晶Si(100)基底上制备掺氮纳米金刚石(NCD)薄膜,并以所制备的掺氮NCD薄膜为阴极材料,通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力扫描探针显微镜(AFM)、Raman光谱和S波段射频电子枪等测试方法系统地研究了掺氮NCD薄膜的微观结构对微波场发射性能的影响。结果表明:在CH_4浓度(体积比)为4%下,制备的掺氮NCD薄膜的颗粒呈多面体,而且颗粒尺寸和表面粗糙度较大,薄膜中金刚石相含量较高,这些微观结构使得微波场发射性能较高,在电场强度(E_0)为67.7 V·μm^(-1)时,发射电流密度(J0)高达144.8 m A·cm^(-2)。当升高CH_4浓度,所制备的掺氮NCD薄膜的颗粒尺寸减小而且连成条状结构,表面粗糙度也逐渐降低,薄膜中金刚石相减少、非金刚石相增加,这些微观结构的改变使得微波场发射性能逐渐降低。如当CH_4浓度增加至6%时,在电场强度E_0=67.7 V·μm^(-1)时,场发射电流密度降至37.9 m A·cm^(-2)。结果表明:低CH_4浓度下,掺氮NCD薄膜所具有的微观结构有利于微波场发射。