Cu离子注入微米金刚石膜的场发射性能研究

发布时间：2017-12-18 20:08

  本文关键词：Cu离子注入微米金刚石膜的场发射性能研究

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【摘要】：离子注入是一种有效改善金刚石膜导电性能的表面改性技术,金刚石膜场发射性能的研究是制备场发射显示器冷阴极材料的基础。本实验采用离子注入技术和不同退火处理工艺,将100 keV、1×1017 ions/cm2剂量的Cu离子注入到由微波等离子化学气相沉积(MPCVD)方法自制的微米金刚石膜(MCD)中,并在不同的温度下进行退火,探索最佳处理工艺增强金刚石膜的场发射性能。在MCD膜表层合成Cu纳米颗粒(NPs)和纳米石墨相,改善MCD的电学性能。原因是Cu NPs或纳米石墨相可以作为“导电岛”,即传输电子的载体和通道,通过电子跃迁或隧穿(即隧道效应)实现“导电岛”之间的电子传导。在本实验中,利用多种测试手段对样品的微观结构及性能进行表征,即FESEM、AFM、GXRD、Raman、XPS用来表征样品的微观结构以及用Hall、高真空EFE测试装置来准确表征样品的电学性能。系统研究了影响MCD膜微结构及场发射性能的重要因素:1)一定能量和剂量的Cu离子注入;2)退火处理方式及退火温度的不同。主要研究内容及结果如下:(1)将Cu离子注入态样品放置在N_2气氛中分别进行500℃,700℃,900℃的普通退火处理(CTA),保温1 h,系统研究了Cu离子注入及一定条件下的普通退火对MCD膜的微观结构和场发射性能影响。研究发现离子注入致使金刚石膜表层受到一定程度的破坏,造成部分sp3碳键断裂,从而形成sp2碳键和其它悬挂键。经过N_2气氛500℃退火,MCD膜的开启电场有所降低(E0=14.684 V/μm),在24.546 V/μm的电场下取得18.642μA/cm2的电流密度。这是因为金刚石膜微结构缺陷损伤有所修复,同时注入的Cu离子能在晶界处形成Cu NPs,并且在其表层催化产生石墨相,为电子的迁移提供传输通道。(2)对Cu离子注入的样品在N_2气氛中进行500℃,600℃,700℃,800℃快速退火处理(RTA),保温1 h,系统研究了Cu离子注入及一定条件下快速退火对MCD膜微观结构和场发射性能的影响。结果显示经快速退火处理的样品整体性能更佳。700℃退火后,样品表层的Cu NPs均匀长大并趋向晶界处聚集,非晶碳及无序化石墨转变为有序化石墨,即纳米石墨相的形成。由此样品的场发射性能显著增强,即开启场强(E0=1.587 V/μm)明显降低,并在3.342 V/μm电场下得到高达27.571μA/cm2的电流密度。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ163;TB383.2

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本文编号：1305444