纳米金刚石薄膜微观结构和场发射性能研究(7)
目前对金刚石膜的低场发射起源已有很多的研究。通常认为在金刚石膜的场发射过程中，电子在电场的作用下从负极(基底) 出发，到达阳极表面, 需要经过以下几个过程: (1) 电子从基底隧穿进入到金刚石膜体内；(2) 电子在金刚石体内传输；(3) 电子从金刚石表面隧穿进入真空。电子在界面的隧穿与电子在绝缘体体内的传输是金刚石膜场发射中的两个关键的过程。由于基底一般为低阻材料，在基底/ 金刚石界面上会形成肖脱基势垒，电子必须要隧穿或越过该势垒进入到金刚石导带，在导带中运动至表面, 再注入到真空。场发射性质受基底材料的功函数[32] 、基底/ 金刚石界面的粗糙度[33] 、界面层的电导率[34] 、以及金刚石膜表面的形貌等因素的影响。
（1）电子从金属/ 金刚石界面的注入
电子在金属/ 金刚石界面上的注入可用能带图来进行解释[35,36]，图1.2为金属/ 金刚石膜的能带图，其考虑了接触处的能带弯曲。金属电极作为发射电子的存储器，φdiamond< φmetal (φ为功函数)，没有加上电场时，金刚石导带中所有被占据的电子态已位于真空能级之上，由于电子首先进入金刚石导带中，因而从金属中发射( 内场发射) 一个电子所需要的能量将超过金刚石功函数。加上电场后，从金属费米能级上隧穿过来的电子能占据金刚石导带中相同的能态。电子进入导带后, 它会以激发形式进入导带底( CBM)，再以扩散为主的方式传输至表面，在表面上发射进入真空。因此，与金刚石相接触的金属中的电子，其能量必须要大于导带底与费米能级的差值，否则在金刚石中没有相应的电子能态。此外，隧穿距离d要足够小，以保证有足够高的隧穿几率，得到可探测的发射电流。隧穿距离d、内场F以及导带底与金刚石费米能级之间的差值ECBM之间有一个简单的关系式：F = E CBM / ( ed ) ，e为电子电荷。金刚石场发射的电流-电场特性与金属FN 发射十分类似，发射电流以指数关系依赖于外加电场，这是因为金属/ 金刚石界面处的隧穿以指数关系依赖于内场，而内场与外场成正比。
电子从基底的费米能级注入到金刚石导带后，聚集在导带底邻近处，随后电子从金刚石/真空界面处发射，界面处的导带被电势降落ΔV所降低，ΔV正比于外加电压V0及膜的厚度，反比于膜的介电常数。发射电子的动能E 可以表示为：
式中X diam为电子亲合势; Ef为费米能级。因此，为了使电子从基底注入到金刚石的导带中，金刚石的导带底必须被降低。因为金刚石表面的电子亲合势很小，其表面势垒比金属/金刚石界面的势垒要低得多，使得金属/金刚石界面的注入机制可能成为电流限制的主要因素。此外，在不同的基底上沉积金刚石膜时，基底与金刚石之间形成的界面的结构与性质均有所不同，使得场致发射的性质也有所不同。
(a)无外加电场 （b）有外加电场
图1.2 金属/金刚石能带图
（2）电子在金刚石膜体内的传导
在固体薄膜的场致发射过程中，对导电性能较好的膜，最重要的机制是电子隧穿过界面势垒，因为电子在体内的传导相对比较容易。而对绝缘性好的膜，体内传导则变得更为重要，并且影响到发射电流密度。因此，在金刚石膜的场致发射中，体传导机制在电子传输与发射中起着很重要的作用。电子在体内的传导，导体中是遵守欧姆定律, 而在绝缘体中通常由带隙中的缺陷或杂质的深能级所控制，材料的绝缘性使电荷发生累积，当电压增加时，电流的增加受到限制，称之为空间电荷限制电流( SCLC)机制，该机制常在高的外加电场和高电流密度下的绝缘体中发生。Murgatroyd 提出了另外一种体传导过程[37] ，它依赖于绝缘体中大量的缺陷或杂质，电荷存在于这些缺陷点上，当缺陷点离得非常近时，电荷载流子的波函数发生叠加，允许载流子从一个点跃迁到另外一个点。而当缺陷点相互离得太远时, 跃迁机制跟不上外加电场，电流受到空间电荷的限制。而Hill[38] 提出对于高缺陷密度的绝缘体，缺陷点处的库仑势叠加,有效地降低了载流子跃迁的势垒，电子在强的外加电场下作非线性的跃迁过程。此外，电子在绝缘体内的传导还有其他的一些模型，在研究金刚石膜场发射中有着非常重要的作用。