（凝聚态物理专业论文）磁过滤等离子体制备非晶碳纳米尖点阵列.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文以磁过滤阴极弧等离子体技术结合阳极氧化铝模板制备冷阴极场发 射材料非晶碳纳米尖点阵列膜为重点，分别对阳极氧化铝模板的制备工艺、模板 孔径大小和孔道开口形状的准确控制及其性能进行了研究探讨，对非晶碳纳米尖 点阵列的制备技术、性能进行了较为深入详细的分析探讨。文章主要研究内容有： 1 、对场发射理论及其在平板显示方面的应用和碳基材料的场发射性能进行 了介绍；对低温等离子体、阴极电弧源、磁过滤技术分别做了介绍，并介绍了本 实验所用带有6 0 0 磁过滤弯管的真空阴极弧等离子体沉积设备，通过对实验设备 进行必要的改进，保证了实验的可控性和可重复性，为制备非晶碳纳米尖点阵列 膜提供了先决条件。 2 、对国内外材料研究领域中广泛用来制备各种纳米材料的多孔阳极氧化铝 模板进行了详细介绍，列举了其主要的结构模型和形成模型。通过用草酸溶液作 电解液，采用二次氧化法制备了多孔阳极氧化铝模板，对模板的制备工艺和控制 条件进行了探讨，利用草酸溶液制备出孔洞排列有序，孔道相互平行且孔径均一 的氧化铝模板。通过扩孔处理使得模板孔径明显变大，并就扩孔处理对模板的影 响和改进进行了分析，制备了具有阶梯状结构孔道的模板样品。 3 、利用磁过滤等离子体技术与阳极氧化铝模板技术相结合，在室温条件下 进行薄膜沉积并从实验结果入手，对阳极氧化铝模板中的带电阴离子杂质以及其 对沉积碳离子的影响进行了深入细致的分析，通过氧化和扩孔相交替的多步氧化 法制备了孔道开口变大的模板，避免了碳离子优先在模板表面的骨架结构上沉积 形成环状阵列的现象，成功制备了非晶碳纳米点阵列膜，并对其进行了场发射性 能的测试。 4 、通过调节阳极氧化铝模板制备过程中的氧化和扩孔时间，尝试并制备出 具有不同高度的非晶碳纳米尖点阵列膜。就模板扩孔深度对沉积过程的影响进行 了尝试和分析。最后制备了高度有所增加的非晶碳纳米尖点阵列膜。 场发射测试结果表明，实验制备的非晶碳纳米点阵列膜具有良好的场发射性 能，随着纳米点高度的增加其场发射性能有所提升。 关键词：磁过滤阴极弧等离子体、阳极氧化铝模板、非晶碳纳米尖点阵列、场发射 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t 摘要 t h i st h e s i sf o c u s e do nt h ep r e p a r a t i o no fa m o r p h o u sc a r b o nn a n o t i pa r r a y sf o r e x c e l l e n tf i e l de m i s s i o nc a t h o d em a t e r i a lb yau n i q u ec o m b i n a t i o no f t h ea n o d i ca l u m i n u m o x i d e ( a a o ) t e m p l a t ea n df i l t e r e dc a t h o d i ca r cp l a s m a ( f c a p ) t e c h n o l o g y t h e p r e p a r a t i o no fw e l lo r d e r e da a ot e m p l a t e ，t h ec o n t r o lo ft h ep o r ed i a m e t e ra n dt h e s h a p eo ft h et e m p l a t ec h a n n e lw e r ec a r e f u l l yd e s c r i b e da n ds t u d i e d t h ep r e p a r a t i o n o fa m o r p h o u sc a r b o nn a n o t i pa r r a y sa n dt h e i rp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e dt o o t h i s t h e s i sm a i n l yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n g p a r t s ： 1 t h ef i e l de m i s s i o nt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef l a tp a n e ld i s p l a y ( f p d ) w e r e i n t r o d u c e da l o n g 谢t l lc a r b o nb a s e dm a t e r i a la n dt h e i rf i e l de m i s s i o np r o p e r t i e s a l s o ， t h el o wt e m p e r a t u r ep l a s m a ，c a t h o d ea r cs o u r c e ，a n dm a g n e t i cf i l t e rt e c h n o l o g yw e r e p r e s e n t e d a n dt h ef c a pe q u i p m e n tw i ma6 0 0 d u c tu s e di n t h i sw o r kw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，i m p r o v e m e n th a sb e e nm a d et oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h e e x p e r i m e n ta n dm a d ei tc o n t r o l l a b l e ，w h i c hm a d et h ep r e p a r a t i o no fa m o r p h o u s c a r b o nn a n o t i pa r r a y sr e a l i z a b l e 2 a a ot e m p l a t ew a sw i d e l yu s e dt os y n t h e s i z ea l lk i n d so fn a n o - m a t e r i a li nal o t o fr e s e a r c ha r e ab o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s t 1 1 es t r u c t u r em o d e l sa n df o r m a t i o n m o d e l so fa a ot e m p l a t ew e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a a ot e m p l a t ew i mo r d e r e d n a n o p o r ea r r a y sa n dp a r a l l e lc h a n n e l s 、析廿1u n i f o r md i a m e t e rp e r p e n d i c u l a rt ot h e t e m p l a t es u r f a c ew a sp r e p a r e di no x a l i ca c i de l e c t r o l y t eb yt h ec o m m o nt w o s t e p p r e p a r a t i o n , t h ep r e p a r em e t h o d sa n dp a r a m e t e r sw e r es t u d i e dc a r e f u l l y t h ep o r e d i a m e t e rw a s o b v i o u s l ye n l a r g e db yp o r ew i d e np r o c e s s b ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo f t h ew i d e np r o c e s s ，a a ot e m p l a t ew i t hp o r ec h a n n e l so fm u l t i s t e ps t a i rs t r u c t u r e w h i c hh a v ea l t e r a b l ed i a m e t e rw a sp r e p a r e d 3 v i at h ec o m b i n a t i o no ft h ea a ot e m p l a t ea n df c a pt e c h n o l o g y , t h ed e p o s i t i o n p r o c e s so fc a r b o ni o n sw a sc a r r i e do u ta tr o o mt e m p e r a t u r e f r o mt h er e s u l to ft h e d e p o s i t i o n , w ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fa n i o n s p e c i e si na a ot e m p l a t eo nc a r b o ni o n sd u r i n gd e p o s i t i o n a a ot e m p l a t e 、 r i t h s p e c i a l l yw i d e n e da n o d i ca l u m i n u mo x i d ep o r eo p e n i n gw a sp r e p a r e db ym u l t i - s t e p s e m p l o y i n gt h ea n o d i z a t i o np r o c e s sa n dp o r e - w i d e n i n gt r e a t m e n ta l t e r n a t e l y t h e d i s a d v a n t a g e o u se f f e c to ft h ea n i o ni m p u r i t i e sd i s t r i b u t e di nt h ea a ot e m p l a t ew a s 兰州大学硕士学位论文 摘要 a v o i d e d ；a m o r p h o u sc a r b o nn a n o d o ta r r a y sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e dt h r o u g hf c a p t e c h n i q u e ，t h ef i e l de m i s s i o np r o p e r t i e sw e r es t u d i e d 4 a m o r p h o u sc a r b o nn a n o t i pa r r a y sw i t hd i f f e r e n th e i g h tw e r ea t t e m p t e db y a d j u s t i n gt h ea n o d i z a t i o nt i m ea n dw i d e n i n gt i m e w es t u d i e da n da n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo ft h ed e p t ho ft h ew i d e n e dp o r eo p e n i n ga n d p r e p a r e da m o r p h o u sc a r b o n n a n o t i pa r r a y sw i t hh i g h e rt i p s t h ef i e l de m i s s i o np r o p e r t i e so ff h er i a n o d o ta n dn a n o t i pa r r a y sw e r ei n v e s t i g a t e d 砧lo ft h e me x h i b i t e de x c e l l e n te m i s s i o np r o p e r t y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en a i l o t i p h e i g h t ，f i e l de m i s s i o np r o p e r t i e sw e r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：f i l t e r e dc a t h o d i ca r cp l a s m a , a n o d i ca l u m i n u mo x i d et e m p l a t e ，a m o r p h o u s c a r b o nn a n o t i pa r r a y s ，f i e l de m i s s i o n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独 立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引 用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：型叫 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规 定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制 手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与 该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大 学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名 导师签名：压署趔益兰石期：鼍丛午 兰州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 随着社会信息化的不断深入和提高，加上当前迅猛发展的网络和通信技术、 计算机、电视技术等，人类的生活工作一刻也无法离开信息，人们无论是工作、 学习还是娱乐，生活中都需要信息显示设备。显示器作为人与机器间信息的交互 界面，是将各种机器上产生的信息通过视觉传递给人的电子器件，担负着人与机 器之间的桥梁作用。显示器将信息通过文字、图形、图像等形式形象逼真、生动 直观的呈现在人们眼前。尤其在当今社会，信息量急剧增长，媒体传播方式更加 多样化，各种记录形式不断涌现，人们对显示屏的依赖和要求也越来越高，显示 技术也成为电子信息产业的一大支柱。 进入二十一世纪后，平板显示器( f l a tp a n e ld i s p l a y ，f p d ) 正在加速代替 传统阴极射线管( c a t h o d er a yt u b e ，c r t ) 显示器。目前平板显示市场上两种 比较成熟的技术是液晶显示( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 和等离子体显示 ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，p d p ) 。但是两者还存在一定的缺点，其中占市场份额很 大的l c d ，其响应速度比较慢，特别是显示较暗画面时，由于施加的电压变化 幅度比较小，响应速度变的更慢，导致画面的细节难以分辨。虽然在材料、结构、 工艺、驱动方式等方面采取了许多措施，显示暗画面仍难以达到理想效果。但是 l c d 凭借其强大的成本和价格优势，成为平板显示市场主要推动力的趋势已经 很难逆转。目前正在研究开发的新型平板显示技术有以下主要两种：有机电致发 光显示( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y , o l e d ) 1 和场发射显示( f i e l de m i s s i o n d i s p l a y , f e d ) 2 。o l e d 具有响应快、高亮度、高对比度、超薄、低功耗、无 视角限制、工作温度范围宽等诸多优点，因此得到了广泛的关注 3 】。但是大屏 幕o l e d 的成本过高，很难与l c d 等低成本的显示技术竞争。o l e d 多用于手 机和m p 3 的显示屏，主要面向小尺寸显示需求。f e d 由于具有和c r t 相同的发 射机理，理论上可以达到与c r t 相媲美的显示画质和性能，一直是研究的热点。 目前f e d 的工业化前景还不是很明朗，由于l c d 在显示质量上的极大改进 和提高以及在成本上的消减使得对f e d 的工业化标准要求更高，除了要具备优 异的显示性能之外，还需要较低的生产成本。 f e d 作为真空电子器件，与c r t 有着很多的共同特性，它有可能达到c r t 兰h 大学顽b 学论文# 一$ 的显示质量。早期的f e d 已经在色彩纯度，亮度，使用寿命等方面取得了很好 的成绩，同时还具有低功耗、低电压、薄型化、平板化以及能在恶劣条件下工作 等特点【4 。随着新技术的引进与突破，f e d 显示器在平面显示器领域中颇受期 待。 图1ic r t 显示器原理示意图 竺竺：竺 “晋芈掣6 r h e n s u b p i x “b + l u s u b ? 1 “ s o u r c e ：rx k c hl n cr o u s s e tf r a n c e 图1 2 f e d 显示器原理示意图【5 f e d 的显示方式不同于c r t 显示器，如图1 1 和12 所示，c r t 是通过加 热阴极产生热电子发射，并利用电磁场控制电子偏转方向，在荧光幕上扫描寻址 进行图像显示：而f e d 采用平面状的电子发出方式，电子直接由发射体射出到 对应的像素【6 】。因此f e d 能够达到c r t 的色彩表现，具有视角宽，彩色全等优 兰州大学硕士学位论文 第一章 点，同时可以满足向平板化、轻薄型的新一代显示器发展需求而在显示技术领域 中受到瞩目。尤其对于刚开始从事显示技术和没有涉及l c d 制造的大公司来说， f e d 具有很强的吸引方。 场发射显示器件( f e d ) 作为新型的阴极射线荧光显示装置，是显示技术与 真空微电子技术相结合的产物。相比传统形式的c r t ，f e d 的显示技术可以将 显示器薄型化。在c r t 中，电子源是由三个热阴极构成，同时用偏转电场线圈 以1 5 3 0 k v 的栅极电压将电子传输到荧光屏。在f e d 中，电子源由大量的冷阴 极阵列组成，阴极阵列距离荧光屏大约0 2 2 0 m m ，电子由场发射阴极阵列发出 的，每个发光点对应一个发射阴极，将c r t 微型化和集成化 7 】。阴极发射电流 是由行列电极的电压控制，发光是逐行进行的，因此每个阵列阴极的发射电流远 远小于c r t 中的电子束流，能够极大的降低显示设备的能耗。 1 1 场发射理论 f e d 中的电子发射方式是场致电子发射，也称冷电子发射，是与热电子发 射完全不同性质的一种电子发射方式。如果能够采取措施，使材料中电子的能量 增加而超过真空势垒，电子就可以发射到真空中，这种电子发射方式称为热电子 发射。其中最常用的方法就是给发射体加温，由于费米分布与温度关系很大，高 温下很多金属都能得到可观的电子发射，这就是热阴极的工作原理，传统c r t 显示中就是采用热阴极产生电子发射。热阴极的优势之一是具有高度的发射稳定 性。如果不是通过增加发射体内电子的能量，而是用外加电场来降低表面势垒， 使表面势垒的高度降低，宽度变窄，也能得到电子发射，称为场发射 8 】。在外 场的作用下，电子依靠隧道效应穿过高度和宽度有限的真空势垒发射到真空中， 这就是f e d 中阴极阵列产生电子发射的机理。与热发射相比，场发射电流的起 伏较大，受阴极表面的形态变化、离子轰击、气体吸附等多种因素影响。因此电 子发射的均匀性和稳定性是场发射显示面临的最大问题。场发射现象是用经典理 论无法解释的，1 9 2 8 年f o w l e r 和n o r d h e i m 根据量子隧穿效应，计算了发射电 流密度和电场之间的关系，提出了金属场致发射理论，推导了金属场发射的定量 方程f n 公式，奠定了场发射的理论基础【9 ，l o 】。 常温下，金属在没有外加电场时，由于金属表面存在势垒而将电子限制在导 体内部。势垒的高度等于金属的功函数，即电子从费米能级到真空需要克服的能 兰州大学硕士学位论文 第一章 量，外加电场后金属的场发射，主要靠隧道效应。固体内部电子的发射要经过两 个过程：一是具有一定能量的电子撞击金属的内表面，只有能够撞击内表面的电 子才有可能发射，这部分电子数用供给函数n ( w ) 表示，定义为：能量为w ，在 单位时间内撞击金属内表面单位面积的电子数目；二是撞击内表面的电子中只有 一部分将穿透表面势垒而逸出，用透射系数d ( 聊表示些撞击到金属内表面的电 子穿透表面势垒的几率。能量在w w + d w 之间并能够穿透表面势垒的电子数 p ( w ) d ( 、聊为： p ( w ) d ( w ) - d ( w ) n ( 、聊d ( m ( 1 ) 发射的电流密度为 dm j = cl p ( 、聊d ( w = ei 。d ( 形) ( 形) d ( 形) ( 2 ) 卜一 发射的电子主要来自导带，因此积分下限e 。为导带底的能级。 一般来说，最有可能逸出的电子集中在费米能级附近。因为高于费米能级的 电子数目相对较少；而低于费米能级的电子对应的势垒较高，透射几率很小。在 费米能级附近，含有较多能量较高的电子，它们能够穿透势垒而发射出去的概率 较大，因此能够发射出来的电子其能量主要集中在费米能级附近较窄的能量范围 内。 金属电子遵从费米分布，由此可以得出供给函数n ( w ) - = 丁4 r a n k ti n 1 + e 卅掣】 ( 3 ) 式中，i n 为电子的有效质量，t 为绝对温度，e f 为费米能级，h 为普朗克常数，k 为玻尔兹曼常数。 求解透射系数，必须知道表面势垒的形状及表达式。对金属的表面势垒主要 考虑镜像力的影响，其形状如图1 3 所示。 具体表达式为 c v ( x = - e o ( x 7 x o ) ( 4 ) 式中，为电场强度。 求解薛定谔方程，得到透射系数 4 兰州大学硕士学位论文 第一章 。( v o = e x p c 一訾丫y = 箐 j 力p sl ，y i 式中，丫( ”是一个函数，当o k 时的丫( y ) 称为n o r d h e i m 函数，其数值可以查表。 e f w e c 镜像力势垒 j jl k e 中 庐 r 纩 f实际势垒 图1 3 外电场下金属表面势垒 x 将式( 3 ) 和式( 5 ) 代入( 2 ) 中，得 j 2 e 缈) d 缈p 形 = 一4 n t m e k t 上。i 唧f 娅3 h e p s 斗n h 一等肛 式中积分之所以为一到e ，是考虑发射出来的电子主要是费米能级附近的电 子。温度不高时，很高于费米能级的电子很少，而很低于费米能级的电子，其逸 出的几率很小。 这个函数很难求解，一般考虑t = ok 时，在e ，附近展开，并取其前两项； 另外取真空能级为零。求解结果为 j 0 - l exp一堕3he坚68xe 删 ( 7 ) 2 尹t ：( y o ) e 一_ 缈jl o 式中，j 为电流密度( a c m 2 ) ，为场强佗m ) ，e 耷为功函数，f ( y o ) 在整个范围内 接近1 ，y ( y o ) 称为n o r d h e i m 函数。 公式( 7 ) 中，没有考虑温度的影响，是t = ok 时的结果。实验证明在1 0 0 0k 兰州大学硕士学位论文 第一章 以下时，温度对场发射的影响小。这是由于金属的电子遵从费米分布，当温度不 是很高时，e f 能级以上的电子很少，因此热发射的电子很少。高温下，考虑到温 度的影响，式( 6 ) 可以表达为下式： ，p ) = ，( o ) 端 d ：鳖二 k o 、)= - - ：= = = = = = = = = = = = = 4 q 2 m l e , , l t ( y o ) 其中，j ( 0 ) 为式( 7 ) 在实际的测试中得到的结果是电流而不是电流密度，场强是由阴极与阳极之 间的电压和间距确定的，因此式( 7 ) 需要改为i - v 关系式。i = a j ，e = v d ，其中d 为阳极与阴极之间的间距，a 为发射面积，并代入其他常数，得到如下结果： ，= a v 2 e 矿 口兰1 5 1 0 。6 口驴2 e 口 。 b 兰6 4 4 x 1 0 7 砭彪。1 ( 9 ) 式中，v 是阴阳极之间的电压，单位为v ；a 为发射面积，单位为c m 2 ；e 为功函 数，单位为e v ，p 为几何因子，包括发射表面形貌及电极之间距离等因素。 由式( 9 ) 即可得到下式： 吨爿= l n a - 歹b 也就是说，i n ( i v 2 ) 与v 1 呈线型关系，其斜率一b 与功函数及几何因子有关。式 o o ) 通常称为f n 关系。从f i n 关系可以得到功函数的数值，但是由于几何因子常 常难以确定，由此得到的功函数实际上包含有几何因子，因此被称为有效功函数。 几何因子的作用是非常重要的，这也是将场发射金属阴极做成微尖形式的主要原 因。一般来说，微尖的场增强效果可以用下式表示： = 硒r 两 a d 式中，r 为栅极孔的半径，r 为微尖的曲率半径，k 为1 5 的常数。从式q d 中可以看到，微尖越尖锐，几何因子越大。正是由于微尖有电场集中效应，使得 尖端易于发射电子，材料的有效功函数变低，可以降低工作场强。 6 兰州大学硕士学位论文 第一章 半导体的场致电子发射和金属的场致电子发射在原理上并没有本质的区别。 半导体场致电子发射理论的形成和实际应用要比金属晚得多，直到1 9 5 5 年才形 成较为完整的理论体系。但是由于半导体材料的复杂性，使其场发射不全同于金 属导体的场发射。半导体材料在电场中的行为比金属更为复杂，主要是由于存在 电场渗透现象和更为复杂的表面态影响。通常把半导体的表面势垒称为电子亲和 势，用) c 来表示，它是导带底到真空能级的能距，即z = e o e 。功函数为费米能 级到真空能级的能量差，即e 扩e o e f 。同一种类的半导体，电子的亲和势是相 同的，而费米能级和功函数却与半导体的掺杂浓度和导电类型有关，n 型半导体 的功函数比p 型半导体的小。由于半导体导带中电子较少，在有外电场存在时， 会产生电场渗透作用，感生表面电荷，使能带的近表面端下降。外电场透入深度 与材料中自由电子浓度的平方根成反比，对于金属，其电子浓度n - - 1 0 2 2 c m 3 ， 电场穿透为1 2 个原子层，穿透深度为i = 1 0 8 c m ；而对于半导体，其载流子浓度 n = 1 0 1 41 0 1 9 c m 3 ，穿透深度1 = 1 0 4 - 1 0 。6 e m ，因此对于半导体材料，电场渗透作用 不能被忽视，电场渗透的影响使表面的势垒有所降低。另外，当半导体表面存在 外来原子形成的势垒形状有别于金属。由于受多种因素的影响，半导体的场发射 是非常复杂的 8 ，1 1 】。 大量实验表明，很多材料例如z n o ，金刚石，类金刚石等的场发射都符合 f n 理论 1 2 1 6 1 ，而且f n 理论物理图像清晰，因此在对很多材料场发射结果的 讨论中经常采用f n 理论。但是由于实际情况与理想表面差别较大，f 。n 公式 可以作为电子发射是否为场发射的判据，但不能用于对场发射电流进行精确的定 量计算。在场发射器件的研究中，发射电流应该以实验测量为准。场致发射理论、 场发射结构及材料、场发射阵列的制备以及场发射测试构成了真空微电子的主要 研究内容。 f e d 要作为新型显示器实现大规模产业化，除了具备高质量的阳极荧光材料 和优秀的器件集成封装等技术工艺外，阴极材料的场发射性能是一个很大的制约 因素。其中荧光材料要在低电压激发下具有较高的发光效率，较好的导电性和化 学稳定性，好的附着力以便能够承受高速电子的轰击；阴极材料应该具有较高的 化学稳定性，且能抗离子轰击，强度较高【1 7 】。对阴极材料的选择一般从如下条 件来选取：低的开启电场，提高器件的电子发射性能；稳定的表面化学性能，提 高材料电子发射的稳定性；较高的硬度和熔点，保证材料的使用寿命；同时具有 7 兰州大学硕士学位论文 制备工艺简单，易于电路集成的特点 1 8 2 1 。 第一章 1 2 碳基材料及其场发射性能 在场发射材料的研究发展早期，采用功函数相对较低的金属，同时将其制成 尖锥形，利用几何场增强效应来提高场发射性能。这种通常用钼、钨、镍、铬等 金属做成尖锥，最早由美国人c a s p i n d t 发明，因此也叫s p i n d t 尖锥 2 2 2 6 。 s p i n d t 尖锥在实际的开发应用中取得了一定的成果，但是由于金属尖锥的制备 工艺难度较大，需要高精密的微机械加工，成本太高；而且金属的表面功函数较 高，导致开启场强太高。 之后大量材料被用于场发射的研究，以金刚石为代表的宽带隙材料( 如：b n ， a 1 n ，s i c 等) 越来越受到人们的重视 2 7 3 3 。这些材料都具有良好的化学和热稳 定性、高的熔点和热导率、小的介电常数，大的载流子迁移率和高的击穿电压等 优点，特别是它们都具有很低的电子亲合势，有些甚至是负的电子亲合势( n e a ) ， 这对场电子发射尤为有利 3 4 ，3 5 】。其中碳基材料显示出令人满意的性能。早期 的研究热点在金刚石上，由于负电子亲和势，导致其具有的较低的功函数，从而 拥有低的阈值电场 3 6 ，3 7 。如果能够提供电子，金刚石材料可以在很低的电场 下发射电子。大量实验显示，金刚石和石墨的混合体也有着很好的场发射特性 3 7 ， 3 8 。同时，研究显示，纯石墨材料也是优异的场发射材料，像碳纳米管和具有 纳米结构的石墨 4 0 - 4 3 。非晶金刚石( d l c ) 材料由于具有低的电子亲和势，也 具有优异的场发射性能。非晶金刚石是碳的非晶结构，碳原子主要以s p 3 和s p 2 杂化键结合。无氢非晶金刚石膜包括无氢非晶碳( a - c ) 膜和四面体非晶碳( u - c ) 膜。 其中a - c 膜含s p 3 键较少：而t a - c 膜中以s p 3 键为主 4 4 4 6 1 。 但是，到目前为止，作为一种极有前途的微电子器件冷阴极材料，金刚石薄 膜仍然没有进入到商业领域。特别是由于一些关键问题还没有得到根本解决，如 金刚石薄膜电子发射的可靠性和稳定性都并不能合乎要求，特别是其电子发射的 不均匀性阻碍了其应用。目前用于场发射的冷阴极薄膜多为碳基薄膜材料，如多 晶金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜、类石墨薄膜等类型，它们的共同特点是具有低 于m o ，s i 等材料的功函数和极低的甚至是负的电子亲和势。薄膜型阴极的主要 问题在于其电子场发射的稳定性和均匀性离实用化还有一定的距离，场发射机理 尚需进一步的研究。随着薄膜制备技术和工艺的发展，人们对非晶金刚石薄膜进 兰州大学硕士学位论文第一章 行了大量的研究，并且发现了非晶金刚石类似于金刚石的场发射性能。非晶金刚 石薄膜相对金刚石薄膜来说制备工艺更为简单，制备条件要求更低，因此非晶金 刚石材料的场发射性能研究倍受人们的关注。 参考文献 【1 】yx i o n g ，w x u , c ：l i ，b l i a n g ，l z h a o ，j p e n g , yc a o ，j w a n g ，u t i l i z i n gw h i t eo l e d f o rf u l lc o l o rr e p r o d u c t i o ni nf l a tp a n e ld i s p l a y , o r g a n i ce l e c t r o n i c s ，9 ( 2 0 0 8 ) 5 3 3 【2 】t is u z u k i ，f l a tp a n e ld i s p l a y i m p u r i t yd o p i n gt e c h n o l o g yf o rf l a tp a n e ld i s p l a y s ，n u c l e a r i n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si np h y s i c sr e s e a r c hb ，2 3 7 ( 2 0 0 5 ) 3 9 5 3 】c m c h e n , m h c h u n g ，te h s i e h , b r h u a n g ，h e h s i e h , f s j u a n g ，ys t s a i ，m o l i ua n dj l l i n , u l t r a v i o l e t - a s s i s t e ds y n t h e s i so fe n c a p s u l a t i n ga d h e s i v e sa n dt h e i r a p p l i c a t i o nf o rl i f e t i m ei m p r o v e m e n to fo r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e s ，c u r r e n ta p p l i e d p h y s i c s ，9 ( 2 0 0 9 ) 7 4 6 【4 】m n a g a o ，k u t s u m i ，y g o t o h , h t s u j i ，j i s h i k a w a , t n a k a t a n i ，t s a k a s h i t aa n dk b e t s u i ，d e p e n d e n c eo fe m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d t - t y p ef i e l de m i t t e r so nc a t h o d e m a t e r i a l ，a p p l i e ds u r f a c es c i e n c e ，1 4 6 ( 1 9 9 9 ) 1 8 2 【5 】gj m o n k m a n ，t h ev a l v em a yb e d e a db u ti tw o n tl i ed o w n , s e n s o rr e v i e w , 1 9 ( 1 9 9 9 ) 6 6 】y s c h o i ，j h k a n g ，h y k i m ，b g l e e ，c g l e e ，s k k a n g ，y w j 氓j w k i m ，j e j u n g , j m k i m ，as i m p l es t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o no fc a r b o n - n a n o t u b ef i e l de m i s s i o nd i s p l a y , a p p l i e ds u r f a c es c i e n c e ，2 21 ( 2 0 0 4 ) 3 7 0 7 】a a t a l i n , k a d e a n , j e j a s k i e ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y s ：ac r i t i c a lr e v i e w , s o l i d s t a t e e l e c t r o n i c s ，4 5 ( 2 0 01 ) 9 6 3 【8 】彭鸿雁，赵立新，类金刚石膜的制备、性能与应用，科学出版社，2 0 0 4 【9 】r gf o r b e s ，r e f m i n gt h ea p p l i c a t i o no ff o w l e r - n o r d h e i mt h e o r y , u l t r a m i c r o s c o p y , 7 9 ( 1 9 9 9 ) 1 1 10 r gf o r b e sa n dk l j e n s e n ，n e wr e s u l t si nt h et h e o r yo ff o w l e r - n o r d h e i mp l o t sa n dt h e m o d e l l i n go fh e m i - e l l i p s o i d a le m i t t e r s ，u l t r a m i c r o s c o p y , 8 9 ( 2 0 01 ) 17 【1 1 】李春，磁过滤阴极弧等离子体法制备类金刚石纳米尖点阵列膜及氧化锌薄膜，兰州大学 博士学位论文，2 0 0 8 【12 m k l i ，d z w a n g ，yw ：d i n g ，x yg u o ，s d i n g ，h j i n , m o r p h o l o g ya n df i e l de m i s s i o n f r o mz n on a n o w i r ea r r a y ss y n t h e s i z e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n d e n g i n e e r i n ga ，4 5 2 - 4 5 3 ( 2 0 0 7 ) 4 1 7 13 o m k u t t e l ，o g r s n i n g , c e m m e n e g g e r ，l n i l s s o n , e m a i l l a r d ，l d i e d e r i c h ，l 。 s c h l a p b a c h ，f i e l de m i s s i o nf r o md i a m o n d ，d i a m o n d - l i k ea n dn a n o s t r u c t u r e dc a r b o nf i l m s ， c a r b o n3 7 ( 1 9 9 9 ) 7 4 5 9 兰州大学硕士学位论文第一章 【14 a i l i e ，a h a r t , a j f l e w i t t , j r o b e r t s o n , a n dw i m i l n e ，e f f e c to fw o r kf u n c t i o na n d s u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo nf i e l de m i s s i o no ft e t r a h e d r a la m o r p h o u sc a r b o mj o u r n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，8 8 ( 2 0 0 0 ) 6 0 0 2 【15 v h c h e r t , c t h u , i n l i n ，m o d i f i c a t i o no nt h ee l e c t r o nf i e l de m i s s i o np r o p e r t i e so f d i a m o n df i l m s ：t h ee f f e c to fb i a sv o l t a g ea p p l i e di ns i t u , j o u r n a lo fa p p l i e dp h y s i c s ，8 4 ( 19 9 8 ) 3 8 9 0 【16 c j h u a n 舀yk c h i h , j h w a n g ，a p l e ea n dc s k o u , f i e l de m i s s i o nf r o m a m o r p h o u s - c a r b o nn a n o t i p so nc o p p e r , j o u r n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，9 4 ( 2 0 0 3 ) 6 7 9 6 1 7 】郭培民，新型场发射显示荧光材料的研究，北京大学博士后出站工作报告，2 0 0 3 18 1p 、一g r o n a u , j s z m i d t , p f i r e k , e c z e r w o s z , d j a r z 徊k a , e s t a r y g a , s t u d yo ft h ea b i l i t yt o f i e l de m i s s