茅东升[1]2000年在《无氢非晶金刚石薄膜的制备及其电子场发射性能研究》文中研究说明在国家＜八六三＞计划资助下，中国科学院上海冶金研究所 于1995年建立了国内第一台真空磁过滤弧源沉积（FAD）装置，并 成功用于非晶金刚石薄膜的制备、电子场发射性能的研究及非 晶金刚石薄膜冷阴极场发射二极管的制作。本项目研究包括非晶 金刚石薄膜的制备、掺杂、表征；电子场发射性能及其影响因素 研究；非晶金刚石薄膜阵列的刻蚀和图形化；场发射冷阴极的制 作和封装。 在国内第一台真空磁过滤弧沉积设备上，在不同的衬底偏压 下，使C~+束流获得不同的沉积能量，制备了一系列的非晶金刚石 薄膜。研究表明，非晶金刚石薄膜具有良好的性能。其SP~3键的含 量超过 85％，密度超过 3g／cm~3,禁带宽度达2.4eV，显微硬度达30~ 60GPa，厚200nm的薄膜表面粗糙度小于1nm。 采用阳极涂有荧光粉的二极管型结构对非晶金刚石薄膜的 电子场发射性能进行了研究。随薄膜中sp~3键含量的增加，电子场 发射性能随着增强。当sp~3键含量为88－90％时，其阈值电场低于 2.9V／μm。电子场发射行为符合F-N理论；发现氢等离子体表面处 理可以显著增强非晶金刚石薄膜的电子场发射性能。氢等离子 体表面处理可以去除吸附于非晶金刚石薄膜表面的沾污以及表 面大约厚度为 0．5~1．5nm的 sp~2键的非晶碳层，有效降低了表面有 效功函数。同时氢离子还可以饱和非晶金刚石薄膜表面的悬挂 键，使薄膜表面具有一定含量的C－H键，从而降低电子亲和势； 研究了等温退火对非晶金刚石薄膜电子场发射性能的影响。发 现，随退火温度的升高，其电子场发射性能基本上随着下降。但 经800℃退火30min后，其电子场发射性能反而优于未经退火的薄 膜。分析表明，其表面含有浓密的微突起，起到了几何场增强因 子的作用；氮的掺杂可以提高非晶金刚石薄膜中电子的费米能 级，降低功函数。但是氮含量的增加又可能导致薄膜中SP~2键含 M／of量的增加。为提高非晶金刚石薄膜的电子场发射性能，最佳的氮掺杂量为 8—20o之问。 不同的金属界面层对非晶金刚石薄膜的电子场发射性能有重要影响。由于金属Ti与C之间的互扩散和反应，降低了界面的咸分突变，有效降低了界面势垒，使电子更容易地从衬底进入非晶金刚石簿膜。当。Dry帖i经 430“C等温退火 30 dn后，其电子场发射性能比退火前大大提高。在场强为 14．3 V／卜时，其场发射电流密度达到2．0吕Iluvc m‘，发射点密度为Z000／m‘。界面大量Tie的形成，进一步降低了界面势垒，从而显著改善了非晶金刚石薄膜的电子场发射性能，特别是均匀性。由于Ti具有良好的导电性能，与非晶金刚石薄膜直接接触后，既可以作为电极，也可以增强非晶金刚石薄膜的电子场发射性能，固而可望应用子来来的场发射平板显示器中。 通过离子束技术和微加工工艺的有机结合，通过对非晶金刚石薄膜的光刻、氧反应离子束刻蚀等一系列步骤，实现了非晶金刚石琢膜的图形化。测试表明，非晶金刚石柱状阵列具有很好的电子场发射性能。在发射电流为7o卜A时，经数个小时，其电流的波动值小于 5％。显示出电子发射的穗定性。在场强为 39 V／卜m时，电子场发射电流密度达到 T 64．IIYINcmZ，发射点密度达到 T 2 xlo‘儿m＼ 以Ti为界面层，制备了非晶金刚石孔洞阵列，并对其电子场发射性能进行了研究。其阈值电场为 2．Iw卜m。在场强为 14．3＊pm时，场发射点密度达到 T 3．0～3．5 xlo勺cm‘。这是目前国际上类金刚石薄膜范目内的最好结果。
茅东升, 赵俊, 李炜, 王曦, 柳襄怀[2]1999年在《高sp~3键含量无氢非晶金刚石薄膜——出色的电子场发射材料》文中认为采用真空磁过滤弧沉积的方法 ,制备了高sp3 键含量 ( >90 % )的无氢非晶金刚石薄膜 .研究表明 ,金刚石薄膜具有优异的电子场发射性能 .在电场强度为5V/μm时 ,可产生 5 .4μA的发射电流 .在一定的电场下 ,电流密度可达到几个mA/cm2 .在发射电流为 5 0 μA的情况下 ,薄膜连续工作数天 ,电流的偏差不超过5 % ,表现出电子发射的稳定性 .同时还观察到了大面积的电子发射现象 .由于薄膜微观表面非常平整 ,所以不存在场增强几何因子的作用 ,利用F N理论可计算得到其表面功函数不大于 0 .0 5eV .由于其非晶组织的均匀性 ,使其表面各个部位具有较为一致的功函数 ,因而造成薄膜均匀、稳定的电子发射 .
李晓春[3]2007年在《磁过滤阴极弧等离子体非晶金刚石纳米尖点阵列制备及性能研究》文中提出本论文致力于研究制备一种低能耗，场发射性能优异而且结构稳定的冷阴极场发射材料。首次将磁过滤等离子体技术与模板法纳米材料自组装技术相结合，制备高质量非晶金刚石纳米尖点阵列。试验结果表明，非晶金刚石纳米尖点阵列具有优异的场发射性能，其开启电场低于目前已报道的所有场发射材料。文章的第一部分主要是理论介绍。首先对磁过滤阴极弧等离子体技术、阳极氧化铝(AAO)模板的制备及应用、低维纳米材料和非晶金刚石的研究现状，四项我们开展工作的理论依据进行详细的介绍和讨论。对自行设计搭建的60°弯管磁过滤等离子体装置进行引弧针、弧屏蔽罩、过滤挡板等方面的改进后设备连续工作时间可达5小时，而国际上某些同类装置仅可连续工作几分钟。利用磁过滤等离子体技术结合氧化铝模板制备技术，在室温条件下成功地制备了非晶金刚石纳米尖点阵列，sp~3含量高达72.1％。FESEM分析表明：纳米尖点分布均匀，形状规则。场发射性能测试结果显示：样品开启电场仅是0.04V/μm。我们这一结果比目前国际上报道的最好结果(开启电场1V/μm)要低1个数量级。应该可以说这是目前国际上的最好结果之一!详细讨论了沉积参数对非晶金刚石纳米尖点阵列的质量影响。结果显示，氩气分压对尖点阵列的形貌有较大影响，我们认为尖点阵列的生长是成核于模板孔洞壁，在一定条件下长大成为大面积有序尖点的过程。考察基底偏压对非晶金刚石尖点阵列结构中的SP~2/SP~3的影响。通过Raman光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析发现，当基底负偏压不超过50V(左右)时，样品中的SP~2相对含量随基底负偏压的的升高而下降，当基底负偏压超过50V(左右)时，样品中的SP~2相对含量随基底负偏压的的升高而急剧上升。分别对非晶金刚石纳米尖点阵列进行掺N和掺Cu处理。场发射结果表明，N元素和Cu元素的掺入分别导致了非晶金刚石纳米尖点阵列场发射性能不同程度的改善。由红外光谱分析得知N在样品中以C-N、C=N等键合的形式存在，场发射开启电场有一定程度的降低，发射电流显著增大，最大电流密度为98mA/cm~2。而Cu在样品中以单质形式存在，没有与C形成化合键。掺Cu样品的场发射开启电压变化不大，发射电流明显上升。本课题的研究方法主要是：掌握影响尖点阵列的控制参数及制备规律，制备出不同形貌、密度的纳米尖点阵列，保证可重复性，为产业化提供保障。利用不同元素的掺杂，改善非晶金刚石的性能缺陷，提高其综合性能，拓宽应用范围。该高质量非晶金刚石纳米尖点阵列材料的研制成功，将极大的推动冷阴极场发射显示技术及真空微电子领域的发展。
茅东升, 王曦, 李炜, 柳襄怀[4]2000年在《金刚石薄膜电子场发射研究进展》文中进行了进一步梳理本文综述了近年来引起广泛兴趣的金刚石和类金刚石薄膜场发射性能的研究进展。指出,由于金刚石薄膜制备条件和组织结构的不同,其电子场发射性能存在很大的差异。同时表明,金刚石薄膜是出色的场发射材料,由于其很低的或者是负的电子亲和势(导带能级位于真空能级之上)和良好的化学稳定性,在真空微电子和场发射显示领域具有广阔的应用前景。
茅东升, 赵俊, 李炜, 王曦, 柳襄怀[5]1998年在《金刚石薄膜电子场发射研究进展》文中认为综述了近年来金刚石和类金刚石薄膜电子场发射性能的研究进展。金刚石薄膜是出色的场发射材料,由于其很低的或者是负的电子亲和势(导带能级位于真空能级之上)和良好的化学稳定性,在真空微电子和场发射显示领域具有广阔的应用前景。
李炜[6]2000年在《场发射平板显示器阳极荧光材料及器件的研究》文中研究说明本文围绕场发射显示器（Field Emission Display－FED）的实用化研究，开展 了场发射显示器样管的设计和制作、场发射显示器阳极荧光粉层的制作、ZnO:Zn 荧光薄膜发光特性研究三部分工作。 一、与企业合作，率先在我国开展了FED器件的研制，先后设计和制作了两种 FED样管，是国内最早见诸报道的FED器件研制工作之一。在样管制作基 础上总结出的FED器件制作工艺与生产结合紧密。 无矩阵选址单色FED样管借鉴了真空荧光显示器件的结构，独到地采用 阴极引线作为隔离柱，有效显示面积1．5×1英寸，内部真空度达到10~(5)-10~(6)Pa， 完全满足器件要求。在结合阴阳极材料研究最新成果的基础上，设计了1×1英 寸矩阵选址单色 FED样管，50×50条电极条组成该样管的矩阵。设计和制作 了阴阳极模板，用于阴阳极的图形化。巧妙采用腐蚀法制作了厚度仅为 50-100um玻璃隔离柱，用于直接封装阴阳极板获得成功，为FED走向实用化提供了重要 途径。样管制作中使用的零部件制作和封装工艺均采取了常用生产工艺规范， 可以普遍适用于二极管型FED器件的制作，符合产业化发展要求。 二、针对FED器件制作出现的阳极荧光粉层脱落现象，采用电泳法制备了FED 阳极ZnO:Zn荧光粉层，井用 NaSio3溶液进行了后处理，彻底防止了荧光 粉层的脱落，解决了FED器件实用化中的一个关键问题。 建立了荧光粉层的厚度模型，计算结果表明2-3层荧光粉时发光效率最 佳。研究了电泳时间和电泳电压对荧光粉层的增重和光致发光强度的影响，电 泳时间为2-4min，电泳电压为200V时，荧光粉层可望获得层厚和光强的最佳 综合性能。经Na2SiO3溶液后处理的荧光粉层，其光致发光波长特性不变，光 致发光强度下降约15％。通过SEM和SIMS检测发现，Na2SiO3粘结剂薄膜包 覆在荧光粉颗粒上，颗粒之间相互连结，同时荧光粉层表面形成粘结剂保护层， 而In2O3添加剂也在表面附近富集。建立了真空FED模拟测试系统，对荧光粉 层的场致发光强度和粉层的破坏进行了测试和观察。经过Na2SiO3溶液后处理 的荧光粉层，需要比较高的电压才能点亮，但是经3000V测试3h仍不发生脱 漱 要落破坏。测试中还观察到了放电破坏和熔化破坏两种破坏形式。三、作为前瞻性研究，考察了＊ ｛n荧光薄膜的发光特性和机理。这项工作 的目标在于荧光薄膜最终替代荧光粉层用于FED器件提供技术支持。研究 结果表明，Zno：Zn ＄膜在不同的热处理范围内，其发光强度受到三个因素 的不同影响。另外还发现，FAD沉积的拥有互相独立尖锥状结构的＊ ｛n 薄膜表现出很高的发光强度。 应用离子束溅射＊BS卜 离子束辅助电子束蒸发（IBED及磁过滤弧源沉积（FAD）等多种方法制备了ZnOZn荧光薄膜，对其进行了N。保护下的热处理，采用 RBS、XIU3、AFM、Hall、PL谱和台阶测厚等多种手段对这些薄膜进行了表征，对其发光特性和发光机理进行了研究。所制备的薄膜都含有过量 Zn的成分，部分薄膜出现金属Zn相。沉积态的薄膜同时含有结晶相和非晶相。随着热处理温度的提高，IBS制备薄膜的自由载流子浓度迅速下降，而 Hall迁移率大幅度提高。各种方法制备的薄膜表现出基本相同的光致发光波长特性，其发光可以分为紫外／紫光＊80A）和蓝光／绿光k70巧40tun俩组。前者来自于ZnO的带带跃迁和带尾跃迁，而Zno晶格中的一价o空位克当了后者的发光中，。。不同温度范围的热处理对IBS制备薄膜蓝绿光的发光强度有着不同的影响，主。要的影响因素包括结构缺陷的修复、薄膜成分的均匀化和过量Zn的蒸发，以上三个效应分别在不同热处理温度范围所起的作用不同。MD制备hO：Zn荧光薄膜时，薄膜的沉积速度受沉积工艺参数的影响很大。在某些 FAD工艺参数组合下沉积的薄膜由互相独立的尖锥状结构组成，其光致发光强度超过一般薄膜3倍甚至数量级以上。
赵建平, 王曦, 陈智颖, 杨石奇, 柳襄怀[7]1997年在《FAD非晶金刚石薄膜的场电子发射性能研究》文中提出利用真空磁过滤弧沉积(FAD)技术制备得到了无氢的非晶碳膜.由于非晶碳膜中数量极高的四面体键(sp~3键)的存在,这种非晶碳膜也可被称作非晶金刚石薄膜.报道了这种非晶金刚石膜的场电子发射特性,并对其能带结构和发射机理进行了研究.实验结果表明,在阈值电场为15V/μm的情况下,测得的场发射电流超过20μA,薄膜的电子发射行为符合Fowler-Nordheim场发射理论.非晶金刚石膜具有负电子亲合势和较小的有效功函数.如此低的阈值电场和高的发射电流,表明这种非晶金刚石薄膜的场电子发射性能已达到甚至超过目前文献上报道的最好结果,为非晶金刚石膜作为场发射材料在平板显示器等真空微电子器件中的实际应用提供了可能性
王玉宝[8]2016年在《粒子入射角变化条件下类金刚石碳膜的制备及性能研究》文中研究说明本文利用中频磁控溅射技术以纯石墨靶/纯石墨靶&甲烷为碳源在单晶硅基底上制备了不含氢/含氢类金刚石碳膜(hydrogen-free/hydrogenated amorphous carbon,a-C/a-C:H),考察了粒子入射角度以及粒子掠入射周期(基底转动速度)对薄膜表面形貌、微观结构、力学和摩擦学性能的影响,主要研究内容如下:1.研究了粒子入射角度对a-C薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,薄膜沉积速率呈现近余弦规律的减小趋势,表面均方根粗糙度经历缓慢增大和急剧增大两个阶段。XPS和Raman分析结果显示:随着粒子入射角度的增加薄膜中sp3/sp2比率减小。薄膜的硬度随着粒子入射角度的增加逐渐减小;薄膜内应力随粒子入射角度的增加出现压应力向拉应力的转变,压-拉应力转换点介于30°到45°之间,且应力值先减小后增大。随粒子入射角度的增加,薄膜摩擦系数增大,耐磨性变差。2.研究了粒子入射角度对a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,沉积速率先增大后减小,15°时薄膜沉积速率最高,为10.24 nm/min;薄膜表面阴影效应加剧,表面均方根粗糙度逐渐增大。Raman和XPS分析结果显示,随着粒子入射角度的增加,薄膜sp3/sp2比率在0.86-1.22之间呈现先增加后减小再增加的变化趋势。与a-C薄膜相类似,薄膜内应力随粒子入射角度的增加同样出现压应力向拉应力的转变。粒子入射角度为30°时制备的薄膜内应力低而硬度最大,分别为-0.037 Gpa和14.22 Gpa。因此,可以通过合理控制粒子入射角度来制备超低应力的薄膜。3.研究了基底转动速度对a-C和a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,基底转动导致薄膜生长模式从基底固定时的连续生长转变为原子(分子)层生长。对于a-C薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/3,且随着基底转速的增加逐渐减小;3 r/min时沉积薄膜表面均匀光滑,此后随着转动速度的增大薄膜表面粗糙增大;随着基底转动速度的增加,薄膜sp3/sp2比率呈近似线性减小趋势,硬度逐渐减小,耐磨性变差。而对于a-C:H薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/2;表面粗糙度随基底转动速的变化规律与a-C薄膜刚好相反,在3 r/min时表面粗糙度最大,为0.58 nm。基底转动条件下制备的薄膜均具有相对较高的硬度和杨氏模量,摩擦系数较为稳定。
参考文献：
[1]. 无氢非晶金刚石薄膜的制备及其电子场发射性能研究[D]. 茅东升. 中国科学院上海冶金研究所. 2000
[2]. 高sp~3键含量无氢非晶金刚石薄膜——出色的电子场发射材料[J]. 茅东升, 赵俊, 李炜, 王曦, 柳襄怀. 中国科学E辑:技术科学. 1999
[3]. 磁过滤阴极弧等离子体非晶金刚石纳米尖点阵列制备及性能研究[D]. 李晓春. 兰州大学. 2007
[4]. 金刚石薄膜电子场发射研究进展[C]. 茅东升, 王曦, 李炜, 柳襄怀. 华东三省一市第三届真空学术交流会论文集. 2000
[5]. 金刚石薄膜电子场发射研究进展[J]. 茅东升, 赵俊, 李炜, 王曦, 柳襄怀. 材料导报. 1998
[6]. 场发射平板显示器阳极荧光材料及器件的研究[D]. 李炜. 中国科学院上海冶金研究所. 2000
[7]. FAD非晶金刚石薄膜的场电子发射性能研究[J]. 赵建平, 王曦, 陈智颖, 杨石奇, 柳襄怀. 中国科学E辑:技术科学. 1997
[8]. 粒子入射角变化条件下类金刚石碳膜的制备及性能研究[D]. 王玉宝. 兰州理工大学. 2016