【正文】 北方民族大學 學士學位論文 論文題目 : 納米金剛石半導體薄膜傳感器的研究與模擬 系 (部 )名 稱 : 電子 與 信息工程系 學 生 姓 名 楊振軍 專 業(yè) : 測控技術(shù)與儀器 學 號 : 20xx0239 指導教師姓名 : 張 秀 霞 教授 論文提交時間 : 20xx 年 5月 22 日 論文答辯時間 : 20xx年 5月 29 日 學位授予時間 : 北方民族大學 教務處制 I 摘 要 金剛石 具有很強的抗輻射、耐腐蝕性能，是能在高溫下使用的新型 寬能帶隙半導體 材料， 被譽為發(fā)展前景十分廣闊的第三代半導體材料。因此，金剛石薄膜可制成耐熱、耐沖擊、耐腐蝕、抗輻射、靈敏度高的壓力傳感器件。 本論文根據(jù)市場對場致發(fā)射材料的需求，在納米金剛石粉體中摻入納米石墨粉體制成納米金剛石漿料，納米金剛石作為微尖，引 入石墨作為導電晶界。用納米金剛石作為發(fā)射體，納米石墨作為導電媒質(zhì)，印刷制備場發(fā)射薄膜。為印刷制備大面積的，具有穩(wěn)定均勻的場發(fā)射性能的納米金剛石薄膜，研究納米金剛石材料超聲分散和機械分散方法及漿料的配制新工藝，實驗得出漿料中納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素最佳配比，使納米金剛石微尖密度合理、分布均勻。為了既能使薄膜 表 的制漿劑能充分揮發(fā)暴露出納米金剛石 微尖，又能使 納米 金剛石薄膜牢固地粘結(jié)在襯底上，研究了納 米金剛石薄膜的燒結(jié)工藝，其最高溫度為多少效果最好，建立納米金剛石薄膜場致發(fā)射模型， 測試分析了納米金剛石薄膜的 場致發(fā)射特性。利用納米金剛石薄膜的場致發(fā)射特性 設計 了 一個 壓力 傳感器 ，并用MATLAB 模擬分析納米金剛石薄膜壓力傳感器的工作原理。 關鍵詞 ：納米金剛石，薄膜，場致發(fā)射，壓力傳感器 II ABSTRACT The diamond has strong resist radiation, corrosion resistance, is used in high temperature of the new band gap width of semiconductor material, known as the development prospects of the third generation of semiconductor materials. Therefore, the diamond film can be made into heat, impact resistance, corrosion resistance, radiation, high sensitivity of pressure sensor. This paper according to market demand fieldemission materials in nano diamond powders, adding nano graphite powder size, nanotubes made nanodiamond diamond, as the sharp as conductive graphite grain. Using nanometer diamond as projectile, nano conductive medium, printing graphite as preparation of field emission film. The preparation for printing, stable area of field emission performance of uniform diamond thin films, nanometer material nanometersize diamond ultrasonic dispersing and mechanical method and the paste made dispersed new craft, experiment of nano graphite, nano size diamond and ethyl cellulose, make the best proportion of diamond micro nano tip, reasonable distribution density. To make film of pulping agent can watch volatile exposed nano diamond fine, nano tip diamond film binder firmly in the substrate, the study of diamond film, the highest temperature sintering process, how to best nanometer diamond film fieldemission model testing and analysis, the diamond film fieldemission characteristics. Using nanometer diamond film fieldemission characteristics designing a pressure sensor, with MATLAB simulation analysis of nano diamond film pressure sensor principle of work. KEY WORDS: nano, film, diamond fieldemission, pressure sensor III 目 錄 前 言 ............................................................... 1 第一章 金剛石薄膜的特性其在場致發(fā)射領域的應用 ....................... 3 場致發(fā)射與冷陰極 ............................................ 3 金剛石結(jié)構(gòu) .................................................. 5 金剛石基本性質(zhì) .............................................. 5 金剛石薄膜的國際國內(nèi)研究動態(tài) ................................ 7 第二章 實驗系統(tǒng)和實驗關鍵步驟處理 ................................... 9 所采用的制備金剛石薄膜的實驗工藝 ............................ 9 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜的制備 ............................. 11 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜的熱燒結(jié)處理 ......................... 12 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜實驗測試系統(tǒng)裝置和電路 ............... 14 第三章 實驗結(jié)果分析 ............................................... 17 納米金剛石薄膜的燒結(jié)曲線 .................................... 17 不同的印刷厚度對納米金剛石場發(fā)射特性的影響 .................. 18 不同粒度砂紙打磨襯底對納米金剛石場發(fā)射特性的影響 ............ 19 退火處理對納米金剛石薄膜電子場發(fā)射性能的影響 ................ 21 印刷納米金剛石薄膜場發(fā)射條件下的陽極屏發(fā)光情況 .............. 23 退火熱處理前后的樣品在不同場強下陽極 屏的發(fā)光 ................ 23 印刷納米金剛石薄膜的場發(fā)射電流穩(wěn)定性 ........................ 24 第四章 利用納米金剛石薄膜設計信息傳感器 ............................ 25 實驗測試 電路 ................................................... 25 利用 MATLAB 進行的模擬 ...................................... 25 第五章 結(jié)束語 .......................................................................................................... 28 致 謝 .......................................................................................................................... 29 參考文獻 ...................................................................................................................... 30 附 錄 ............................................................................................................................ 31 北方民族大學學士學位論文 前言 1 前 言 近年來，國際上以金剛石薄膜以及稱之為類金剛石薄膜 DLC 等一類特殊功能材料的制作方法和工藝及其場發(fā)射特性的研究工作被廣泛開展，其中納米金剛石薄膜成為重要的研究熱點之一。 利用化學氣相沉積（ CVD）的方法合成金剛石膜類似天然金剛石具有高硬度、高導熱率、高電阻率等優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，尤其金剛石具有的寬禁帶、高載流子遷移率、低介電常數(shù)、高導熱率、高擊穿電壓及其它性質(zhì)，因此利用 金剛石薄膜 制備的半導體器件可以在高于 600℃溫度下正常工作，作為耐腐蝕、抗輻射、防化學腐蝕的 器件可以在宇宙飛船、原子反應堆及惡劣環(huán)境下工作 [14]。金剛石是一種能在大氣中穩(wěn)定保持負電親和勢的材料，因此被普遍認為是一種出色的場發(fā)射材料 [517]。許多科學工作者對各種方法制備得金剛石材料的場發(fā)射性能進行了研究，使得基于金剛石材 料的場發(fā)射陰極有了很大的發(fā)展。如 等人 [18]在 1997 年制備的 CVD 多晶金剛石材料的薄膜，經(jīng)摻硼和氫處理后在 15v/181。m 的電場強度作用下發(fā)射電流密度達到 10181。A/cm178。到20xx 年， Li 等人在硅片上用 CVD 法生長出摻氮金剛石薄膜，其場發(fā)射閾值達4v/181。m[19]。馮濤等人采用真空磁過濾弧沉積法制備的類金剛石薄膜的場發(fā)射閾值電場達到 ， 178。[20]。 納米結(jié)構(gòu)的金剛石材料的場發(fā)射性能具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?. Wang 等人用微波 CVD 法制備了晶粒尺寸為 1520nm 的納米金剛石薄膜，其發(fā)射閾值為， 178。[21]。紹樂喜等人將爆炸法制備出的納米金剛石粉涂覆于硅片上作為場發(fā)射陰極材料，其開啟電壓為，最大電流密度能達到 130181。A/cm178。[22]。 等人用 研究制備了納米結(jié)構(gòu)的金剛石材料的顯示器 [23]。 在材料結(jié)構(gòu)中引入可導電的晶界有助于提高材料的導電性。研究表明，金剛石材料的晶粒越小，其場發(fā)射性能越好。 到目前為止， 在幾百納米以下的尺度范圍內(nèi)，納 米金剛石薄膜能在更低的電場作用下獲得比一般金剛石薄膜更均勻更穩(wěn)定的發(fā)射電流，納米金剛石薄膜具有更優(yōu)良的發(fā)射特性已經(jīng)被廣泛證實， 從金剛石材料中得到的最好的場致發(fā)射是來自于納米金剛石材料 [2236]。 獲得高質(zhì)量發(fā)射性能的納米金剛石薄膜以用作場致電子發(fā)射材料是目前研究的熱點之一。目前國際上和國內(nèi)對納米金剛石薄膜的研究北方民族大學學士學位論文 前言 2 主要集中在采用各種工藝方法制備和獲得納米金剛石薄膜上。這其中