微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜形貌分析

 本文给出了微波等离子体化学气相沉积多晶金刚石薄膜及外延单晶金刚石薄膜的各种形貌，并对这些形貌的形成作了理论分析。     

用热丝CVD技术制备场发射冷阴极金刚石薄膜

以甲烷和氢气的混合气体为原料,用热丝化学汽相淀积法,在(100)硅衬底上800℃温度时异质生长出适合场发射的金刚石薄膜.然后用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜和喇曼光谱仪等对其进行了分析,结果表明,所制备的薄膜是多晶金刚石,而且在(111)晶相择优生长.在扫描电子显微镜下(111)晶粒的外形几乎都是四面体结构,具有很多尖端,可以加强一定电压下的电场,所以所制备的薄膜能够满足低压场发射的要求.     

类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率

采用分子动力学方法模拟了碳在晶体硅基底上的沉积过程, 并分析计算了所沉积的类金刚石薄膜的面向及法向热导率. 对沉积过程的模拟表明, 薄膜密度及sp³杂化类型的碳原子所占比例均随沉积高度的增加而减小, 在碳原子以1 eV能量垂直入射的情况下, 在硅基底上沉积的薄膜密度约为2.8 g/cm³, sp³杂化类型的碳原子所占比例约为22%, 均低于碳在金刚石基底上沉积的情况. 采用Green-Kubo方法, 计算了所沉积类金刚石薄膜的热导率, 其面向热导率可以达到相同尺寸规则金刚石晶体的50%左右, 并且随着薄膜密度与sp³杂化类型碳原子所占比例的升高而升高.     

热丝化学气相沉积金刚石薄膜空间场的数值分析

由于热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜的反应气体利用率较低，生长速率慢，生长不均匀，从而限制了金刚石薄膜的大规模应用。因此，人们从实验和理论方面研究其生长工艺。实验能反映热丝化学气相沉积金刚石薄膜的真实情况，但实验受到许多因素的影响和制约而不能获得较全面信息，数值计算能弥补实验的不足。     

热丝法气相沉积纳米金刚石薄膜

纳米金刚石薄膜的沉积实验在自行研制的热丝化学气相沉积系统上完成。基体为金刚石微粉研磨和酸蚀后的硬质合金片，反应气体为CH4和H2混合气，V（CH4）：V（H2）=1％-4％，基体温度800-1000℃，沉积时气压为0．8～2．0kPa。SEM观察表明，影响金刚石膜的表面形貌及粗糙度的关键参量是基体温度、反应气压及含炭气体的浓度，这些参数都会影响到薄膜的纯度、结晶习性和晶面完整性。沉积纳米金刚石薄膜工艺是通过高密度形核以及抑制金刚石膜在沉积过程中的晶粒长大来实现的。     

化学气相沉积法制备金刚石膜截面微区Raman分析

采用微区Raman散射分析方法研究化学气相沉积法制备的金刚石膜的横截面.金刚石膜从衬底面到生长面不同位置具有不同特征的Raman谱,依此对膜中的金刚石、石墨和非晶碳成分进行分析.衬底面附近区域对应金刚石膜生长过程的成核阶段,非晶碳成分含量较高,相应于1200—1600cm^-1波段较大的散射强度和存在较强的荧光背底.膜厚增大,非晶碳成分中sp³结构成分首先减少,而sp²结构成分和石墨成分的减少相对缓慢.而生长面附近区域只有比较单纯的晶体金刚石 关键词：     

微波等离子体化学气相沉积金刚石膜

微波等离子体化学气相沉积是制备金刚石膜的一个重要方法，能制备出表面光滑平整的大面积均匀金刚石膜，文章概述了ＭＰＣＶＤ制备金刚石膜的情况，介绍了ＭＰＣＶＤ制备金刚石膜装置的典型类型及其特点，在国内研制成功天线耦合石英钟罩式ＭＰＣＶＤ制备金刚石膜装置，并在硅片上沉积出大面积均匀的优质金刚石膜。     

辉光等离子体辅助化学气相沉积低温合成金刚石薄膜的研究

采用辉光放电等离子体增强化学气相沉积 (GP CVD)技术在低温条件下合成了高品质的亚微米金刚石薄膜 ,并通过对合成过程的实时发射光谱诊断确定了 [CH4 H2 ]系统参与金刚石合成反应的主要荷能粒子。对合成过程的研究表明 :采用这种技术能使电子增强热丝化学气相沉积 (EACVD)合成高品质金刚石薄膜的温度从 85 0℃降至 (340± 5 )℃ ;薄膜低温合成中的主要荷能粒子为CH3 、CH ,CH+ 、H 等 ,其中过饱和原子氢保证了高品质金刚石薄膜的合成 ;根据光诊断和探针测量的结果推断近表面辉光放电可在基片表面形成电偶极层 ,该偶极层是进行超常态反应的必要环境 ,并在低温合成中起重要作用     

金刚石基底上氮化硼薄膜的场发射特性研究

 利用射频磁控溅射方法,在金刚石膜上沉积了氮化硼薄膜。红外光谱分析表明,氮化硼薄膜的结构为六角氮化硼。在超高真空系统中测量了样品的场发射特性,沉积在金刚石膜上的氮化硼薄膜的阈值电场为12 V/μm,最大发射电流密度为272 μA/cm²。并且沉积在金刚石膜上的氮化硼薄膜的场发射特性明显优于金刚石薄膜本身的场发射特性。这说明,氮化硼薄膜可以有效地改善金刚石膜的场发射特性。场发射Fowler-Nordheim（F-N）曲线表明,电子发射是通过遂穿表面势垒完成的。     

化学气相沉积金刚石生长表面氢原子覆盖率的研究

化学汽相沉积金刚石生长表面的悬挂键是其赖以成核和生长的表面尖性格点，但是两个以上悬挂键聚集在一起时，局部表面能量比较高，悬键之间容易发生重构一起时π键或者ｄｉｍｅｒ键，成为石墨结构的生长基样点。因此，金刚石的生长主要依赖于表面上的单个悬挂键集团和气相中的碳氢活性基团。     

两步化学沉积法制备ZnO薄膜及其场发射特性

在低温常压条件下,以ITO玻璃为衬底,采用电化学法与湿化学法结合的两步化学沉积法制备了团簇状ZnO薄膜。利用XRD,SEM分析了薄膜结构和表面形貌,并采用二极管结构在高真空条件下对薄膜进行了场发射性能测试。稳定发射后,开启电场为3.0 V/μm。当电场为5.8 V/μm时,电流密度为583.3 μA/cm²。研究表明:两步化学沉积法低温制备ZnO薄膜是可行的,且该薄膜具有良好的场发射性能。     

金刚石薄膜负偏压形核的边缘效应

 在微波等离子体化学气相沉积装置中，研究了金刚石薄膜在Si (100)面上的负偏压形核行为，结果表明，偏压大小对金刚石的形核均匀性有显著影响，而甲烷浓度主要影响形核时间，对金刚石的最大核密度影响不大。在硅片尺寸小于钼支撑架时，形核行为存在明显的边缘效应，即在偏压值低于-150 V时，硅片边缘金刚石核密度急剧降低，远低于硅片中央；在甲烷浓度比较低时，硅片边缘核密度要高于中间。研究表明，造成这种现象的主要原因是硅片下的钼支撑架发射电子所致，过量的原子H对金刚石的形核是不利的。     

类球状微米金刚石聚晶的场发射

在覆盖金属钛层的陶瓷上,采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备出类球状微米金刚石聚晶薄膜。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱,X射线衍射,分析了薄膜的结构和表面形貌。测试了类球状微米金刚石聚晶膜的场致电子发射特性。开启电场仅为0.55V/μm,在2.18V/μm的电场下,其场发射电流密度高达11mA/cm2。仔细分析了膜的发射过程,发现类球状微米金刚石聚晶的结构对发射有很大影响,并对其发射机理进行了研究。     

金刚石粉末淀积层的场发射特性研究

采用电镀方法和直接刷涂的方法在钨针衬底和硅衬底上沉积高压合成的金刚石粉末形成冷阴极。将这种冷阴极与荧光阳极组成真空二极管结构。通过该结构电流-电压特性的测量和发光特性的观察研究了金刚石粉末冷阴极的电子场发射性能。实验显示,这些冷阴极都具有很高的电子发射能力,最低开启场强达到3．25V／μm。用热电正反馈和电导调制效应解释厂电子场发射点呈随机分布的现象。     

可低压驱动的金刚石薄膜冷阴极特性研究

通过在金刚石薄膜表面沉积超薄金属薄膜作为栅极的方法,在10V左右的低压下观察到场发射现象,其发射电子的发散角度为10°左右,接近于面发射;而孤立的金刚石颗粒几乎观测不到场发射。金刚石薄膜的场发射可能来自晶间相。     

碳纳米管/金刚石复合材料的场发射特性

采用微波烧结方法制备了碳纳米管/金刚石复合材料。将碳纳米管和纳米金刚石粉末混合后研磨压片,然后在微波等离子气相沉积系统中采用微波烧结。利用扫描电镜对复合材料的表面形貌和微观结构进行了分析,结果显示碳纳米管比较均匀地分散于复合材料中,并在表面形成了发射微尖。利用二极管结构在动态真空室中对复合材料的场发射特性进行了研究,复合材料有较好的场发射特性,电流密度接近15mA/cm2。     

外延法生长金刚石薄膜场发射特性研究

研究了外延法生长金刚石薄膜的场发射特性.金刚石薄膜用热丝CVD法生长,甲烷与氢气比例为2.5%,生长于事先电泳沉积在硅衬底的金刚石微晶上.实验数据的计算结果表明：金刚石薄膜的阈值电压为1.8 V/μm,有效功函数降低为纯金刚石颗粒的0.11倍.通过SEM、XRD和Raman等手段表征了金刚石薄膜的结构,并对其场发射机制作出理论分析.     

类球状微米金刚石聚晶膜场发射的稳定性

在覆盖金属钛层的陶瓷上,利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备出类球状微米金刚石聚晶膜。通过二极管结构测试了聚晶膜的场致电子发射特性,利用扫描电子显微镜、拉曼光谱、XRD分析了场发射前后薄膜的结构和表面形貌的变化。发现在高场、大电流密度的场发射中,对类球状微米金刚石聚晶薄膜中的金刚石聚晶颗粒影响很小,而对金刚石聚晶颗粒间的非晶碳层影响很大。对类球状微米金刚石聚晶变化机理进行了研究。     

钛基底的纳米金刚石掺混纳米碳管的场发射特性

在纳米金刚石场发射的基础上, 研究了纳米金刚石掺混纳米碳管的场发射特性。采用电泳沉积法形成了纳米金刚石与纳米碳管的复合涂层, 经热处理后制备出阴极样品, 然后进行微观表征, 再进行场发射特性测试与发光测试。结果表明, 与未掺混的纳米金刚石阴极样品相比, 复合涂层阴极样品的场发射开启电场明显减小, 场发射电流提高, 在较低的电场下阳极表面荧光粉就可以发光, 但发光不均匀, 出现了"边沿发光"的现象。分析了纳米金刚石掺混纳米碳管场发射性能提高的机理, 是由于纳米碳管掺入之后, 涂层的电子输运能力得到增强, 涂层中有效发射体的数目增加。最后, 解释了"边沿发光"现象的成因。