纳米金刚石薄膜微观结构和场发射性能研究(8)
（3）电子从金刚石膜表面的发射
在金刚石场发射的过程中，电子的传输和发射需要通过2个界面，即基底/金刚石界面与金刚石/真空界面，界面的特性对金刚石场发射起着非常复杂和重要的作用。一般都认为发射电子来自于金刚石/真空界面的金刚石导带底，其能量依赖于外加电压。经典的场发射是电子在强的电场作用下，隧穿过窄的表面势垒, 发射到真空。对于功函数为5eV 的金属，需要2500V/ µm 的电场来得到发射电流[39] 。这样高的电场是很难在平面上产生的。为了得到足够高的电场以实现电子的发射，必须依赖于微尖端结构的场增强效应。微尖端结构的基本设计如图1.3( a) 所示，用于平板显示的尖端发射极，常见的有硅锥阵列和钼锥阵列。这2种阵列的制作工艺都很复杂，对制作技术要求很高，而且尖端电场过高，容易引起电弧放电，因此，到目前为止还没有形成产业化；而对能在低场下即可发射电子的金刚石膜，可以将发射极设计成如图1.3(b) 所示的形式。在这里, 薄膜替换了微尖端，这种设计除了器件更容易设计和制作外，还可大大减少强场下所产生的一些问题( 如溅射腐蚀、离子轰击所致的发射极污染等)，减小对基底的破坏。
图1.3 电子从发射极表面的发射
1.6金刚石薄膜的发展趋势和应用前景
近年来，合成金刚石薄膜己成为世界科技先进国家研究开发的最热门的新材料之一。随着半导体领域的需求量越来越大，并且对其品质要求日益增加，加之金刚石具有其他半导体材料无法比拟的优异性能的优势，因此，金刚石薄膜将会成为下一代电子元器件重要的新型材料。通过近二十年来的努力，人们在金刚石膜的发展中取得了巨大的进步，今天的金刚石膜行业已经进入研究成果不断产业化的收获阶段。这种进步，首先体现在金刚石膜的制造设备和工艺上，跟20年前相比，今天的金刚石膜的沉积工艺具有高质量、大面积和高沉积效率。其中，沉积速度提高了上千倍，沉积成本下降了数千倍，而膜的质量大大提高，很多指标已经接近了宝石级天然金刚石的水平。在金刚石膜沉积机理研究上，人们已经基本上掌握了沉积的热力学、化学条件和规律，逐步弄清了各种因素的影响，为稳定膜的质量打下了基础。
金刚石薄膜作为一种特殊功能材料，目前国内外的科技界都在不断地开拓和发展其新的应用领域，其发展潜力巨大。与过去几年相比，现在的技术更加接近了市场应用，尽管仍有一定风险，但己到了可以预测和承受的程度。
1.7 本文研究内容
金刚石薄膜具有负电子亲和势，在很低的电场下就可获得较大的发射电流，是一种非常理想的场发射冷阴极候选材料。研究表明金刚石薄膜的场发射性能与其表面结构和形貌、内部缺陷和元素掺杂等因素有关。本课题主要开展纳米金刚石薄膜的制备、微观结构、表面形貌和场发射性能的研究，研究金刚石薄膜表面形貌、化学键结构和硼原子掺杂对其场发射性能的影响，并分析纳米金刚石薄膜场发射机理。
2实验
2.1掺硼金刚石薄膜的制备
2．1.1实验装置
本实验采用微波等离子体化学气相沉积装置（MWPCVD）来进行金刚石膜沉积的研究，图2.1显示的是该装置的示意图，MWPCVD系统由微波系统、等离子反应室、真空系统和供气系统等部分组成。微波系统包括微波功率源、环行器、水负载、阻抗调配器、测量微波入射和反射功率的定向耦合器及功率探头和显示仪器。采用功率为5kW的微波功率源提供微波，环行器的作用是吸收反射回来的微波能量。矩形波导管用于传导TE10模式的微波，通过模式转化器，将TE10模式转变为TM01模式，另外可以通过波导上的三螺钉阻抗调配器来控制微波的反射量。