纳米非晶碳膜制备及其场致电子发射性能研究

论文摘要

本论文研究了微波等离子化学气相沉积系统（MPCVD）制备条件对非晶碳膜场发射特性的影响，制备出了开启电场低、电流密度大的纳米含氢非晶碳薄膜；研究了非晶碳膜场致电子发射电流衰减的原因；研究了非晶碳膜中薄膜结构和场发射性能之间的关系并探究其场发射机理；最后采用密度泛函理论（DFT）计算了氢原子和氢离子在石墨（0001）表面不同位置、不同覆盖度的吸附对其功函数的影响，并对实验结果进行了解释。具体的研究工作主要包括以下内容： 1．制备条件对非晶碳膜场发射特性的影响。通过正交设计方法研究了微波功率、反应气压、反应气体及其流量比等实验条件对所制备的非晶碳膜场发射性能的影响，在硅和陶瓷两种衬底上制备出了具有优良场发射性能的纳米非晶碳膜。在硅衬底上生长的纳米非晶碳膜开肩电场可低至1V／μm，工作电场3.0 V／μm时电流密度达到2.0mA／cm2，发射点密度大于104／cm2；陶瓷衬底上生长的纳米非晶碳膜开启电场可低至0.6V／μm，工作电场1.7 V／μm时在3.0 cm2的面积上电流密度达到1.7mA／cm2。优于现有文献报道的结果。X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等分析结果表明所制备的非晶碳膜都是由纳米级非晶碳颗粒组成，硅衬底上制备的纳米非晶碳膜中sp2相碳的含量高于50％，而陶瓷衬底上制备的纳米非晶碳膜主要由sp2相组成。 2．纳米非晶碳膜场发射稳定性和微观场发射特性。在最初几次升压降压的场发射测试过程中，场发射电流逐渐衰减，多次测试后最终趋于稳定状态。稳定后福勒—诺德海姆函数（F-N）直线的斜率比之首次测量时的F-N直线斜率增加，这意味着表面功函数增加。分析认为这是与场发射测试过程中表面氢的脱附有关；用扫描隧道显微镜—扫描隧道谱（STM-STS）研究了硅衬底上非晶碳膜发射点的发射效率和其所处位置的关系，结果发现发射点在非晶碳颗粒上处于随机分布状态，发射点在非晶碳颗粒的边界和非晶碳颗粒顶端无择优分布。 3．非晶碳膜中sp2相和sp3相碳对其场发射性能影响。研究了放电过程对非晶碳膜场发射性能的影响，并利用X射线光电子谱（XPS）、Raman光谱等测试手段分析了放电过程引起的非晶碳膜中sp2和sp3相碳含量的变化，结果发现放电过程引起非晶碳膜中sp2相碳含量的减少。随着sp2相的减少，场发射性能变差，当非晶碳膜表面sp2／sp3相碳的比例从1.26降为0.53时，其开启电场从

论文目录

• 摘
• 要
• Abstract
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 场致电子发射及其应用领域
• 1.1.1 场致电子发射的特点
• 1.1.2 场致电子发射的应用领域
• 1.2 场发射理论
• 1.2.1 金属场发射理论
• 1.2.2 半导体场发射理论
• 1.2.3 薄膜场发射理论
• 1.3 场发射阴极材料
• 1.3.1 真空微电子器件对场发射阴极材料的要求
• 1.3.2 微尖型场发射阵列（FEA）材料
• 1.3.3 碳纳米管及其它一维纳米材料
• 1.3.4 薄膜材料
• 1.3.5 几种典型的阴极材料的场发射性能的比较
• 1.4 非晶碳膜
• 1.4.1 非晶碳膜的结构
• 1.4.2 非晶碳膜的表征
• 1.4.3 非晶碳膜的制备
• 1.4.4 非晶碳膜的场发射性能研究
• 1.5 本论文的研究目标和研究内容
• 第2章 实验流程及设备
• 2.1 衬底处理
• 2.2 非晶碳膜制备及表面处理
• 2.2.1 非晶碳膜制备-MPCVD
• 2.2.2 表面处理
• 2.3 非晶碳膜特性分析
• 2.3.1 形貌和结构
• 2.3.2 场发射性能测试
• 第3章 纳米非晶碳膜的制备及其工艺优化
• 3.1 引言
• 3.2 MPCVD工艺参数对碳膜场发射性能的影响
• 3.2.1 正交实验设计
• 3.2.2 正交试验结果分析
• 3.3 最优实验条件下碳膜的场发射特性
• 3.4 最优实验条件下碳膜的结构
• 3.4.1 形貌
• 3.4.2 X射线衍射谱（XRD）
• 3.4.3 拉曼光谱（Raman）
• 3.4.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 3.5 本章小结
• 第4章 非晶碳膜结构和场发射性能之间的关系
• 4.1 非晶碳膜的场发射稳定性
• 4.2 非晶碳膜的微观场发射特性
• 2/sp³碳含量对非晶碳膜场发射性能的影响'>4.3 sp²/sp³碳含量对非晶碳膜场发射性能的影响
• 4.3.1 放电过程对非晶碳膜场发射性能的影响
• 4.3.2 放电过程对非晶碳膜成分和价键结构的影响
• 4.4 氢等离子体处理对非晶碳膜场发射性能的影响
• 4.5 分析和讨论
• 4.6 本章小结
• 2相非晶碳膜功函数及场发射性能的影响'>第5章 氢吸附对sp²相非晶碳膜功函数及场发射性能的影响
• 2相非晶碳膜的制备及其场发射特性'>5.1 sp²相非晶碳膜的制备及其场发射特性
• 5.1.1 实验过程
• 5.1.2 实验结果分析
• 2相非晶碳膜场发射特性的影响'>5.2 氢吸附对sp²相非晶碳膜场发射特性的影响
• 5.3 氢吸附对石墨（0001）表面功函数的影响
• 5.3.1 理论基础
• 5.3.2 物理模型和计算参数
• 5.3.3 计算结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 附录1:攻读博士期间发表的论文及成果
• 附录2:致谢