Ag离子注入自支撑金刚石膜微结构及场发射性能研究

发布时间：2017-04-26 16:21

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【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(FSD_P)膜和本征FSD膜中掺入80 ke V、5×1016 ions/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FSD_P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FSD_P膜微结构和场发射性能的影响。结果表明:Ag离子注入能在FSD_P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FSD_P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FSD_P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Ag O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。
【关键词】：离子注入 场发射性能 自支撑金刚石膜 退火气氛 退火温度
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-26
• 引言12-13
• 1.1 场发射13-16
• 1.1.1 场发射理论13-14
• 1.1.2 场发射性能参数14-15
• 1.1.3 场发射材料15-16
• 1.2．金刚石材料16-21
• 1.2.1 金刚石的晶体结构16-17
• 1.2.2 金刚石的性质17-19
• 1.2.3 金刚石膜制备方法19-21
• 1.3 金刚石膜的掺杂研究21-23
• 1.3.1 化学气相沉积（CVD）掺杂21-22
• 1.3.2 离子注入掺杂22-23
• 1.4 问题的提出及本文的主要研究内容23-26
• 第二章 实验方法与原理26-32
• 2.1 自支撑金刚石样品的制备26-27
• 2.1.1 衬底预处理26
• 2.1.2 金刚石膜的制备26-27
• 2.1.3 酸洗和抛光处理27
• 2.2 Ag离子注入及退火方案27-28
• 2.3 测试方法及原理28-32
• 2.3.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）28
• 2.3.2 原子力显微镜（AFM）28
• 2.3.3 拉曼光谱（Raman）28-29
• 2.3.4 掠入射X射线衍射（GXRD）29
• 2.3.5 X射线光电子能谱（XPS）29
• 2.3.6 Hall效应（Hall）29-30
• 2.3.7 场发射性能测试（EFE）30-32
• 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32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 结构、成分及形貌表征32-39
• 3.2.1 SEM图谱分析32-35
• 3.2.2 AFM图谱分析35-37
• 3.2.3 GXRD图谱分析37-38
• 3.2.4 Raman光谱分析38-39
• 3.3 电学性能表征39-42
• 3.3.1 Hall效应分析39-40
• 3.3.2 场发射性能分析40-42
• 3.4 本章小结42-44
• 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44-60
• 4.1 引言44
• 4.2 场发射性能分析44-46
• 4.3 结构、成分及形貌表征46-59
• 4.3.1 SEM图谱分析46-50
• 4.3.2 AFM图谱分析50-53
• 4.3.3 GXRD图谱分析53-55
• 4.3.4 Raman光谱分析55-56
• 4.3.5 XPS能谱分析56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 退火温度和气氛对Ag离子注入FSD膜相成分的影响60-66
• 5.1 引言60
• 5.2 Raman光谱分析60-65
• 5.2.1 Ar气氛中退火温度对Ag离子注入FSD膜中相成分的影响60-61
• 5.2.2 N_2气氛中退火温度对Ag离子注入FSD膜中相成分的影响61-62
• 5.2.3 H_2气氛中退火温度对Ag离子注入FSD膜中相成分的影响62-64
• 5.2.4 O_2气氛中退火温度对Ag离子注入FSD膜中相成分的影响64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 结论66-68
• 参考文献68-78
• 硕士期间发表的论文78-80
• 致谢80

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本文编号：328816