【正文】 金剛石作為微尖，引入 石墨作為導電晶界。這其中，由于低氣壓下 CVD 方法，較之早期的高溫高壓制備方法，具有清潔可靠，可沉積，高質量的薄膜等眾多優(yōu)點而成為制備金剛石薄膜的主流工藝方法，包 括熱絲法MPCVD 法，射頻放電法，等離子體炬法等。研究表明，金剛石材料的晶粒越小，其場發(fā)射性能越好。A/cm178。 納米結構的金剛石材料的場發(fā)射性能具有極大的發(fā)展?jié)摿Α５?0xx 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。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。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。 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。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。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在襯底上，研究了納 米金剛石薄膜的燒結工藝，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。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]。A/cm178。[20]。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。 在材料結構中引入可導電的晶界有助于提高材料的導電性。目前國際上和國內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。同時，我們還將根據(jù)納米金剛石薄膜的優(yōu)異的電學特性來設計一個傳感器。建立了納米金剛石薄膜場致發(fā)射模型，分析了納米金剛石薄膜的場致發(fā)射特性，并在此研究基礎上實際應用納米金剛石薄膜的優(yōu)異特性來設計一傳感器。 場致發(fā)射與冷陰極 1928年 FowlerNordheim基于量子力學的隧道效應理論推導出了場致 電子發(fā)射的基本公式即 FN公式為場致電子發(fā)射的研究奠定了理論基礎。為了和傳統(tǒng)的熱電子發(fā)射陰極相對應這種由場致發(fā)射機理制成的陰極被稱為冷陰極。近年來，場致電子發(fā)射特性的研究表明，場致電子發(fā)射機理制備成的電子源可以提供很高的發(fā)射電流密度，沒有加熱功耗因而采用場致發(fā)射機理制備成的開啟電壓很小的冷陰極具有其獨特的優(yōu)勢作為真空微電子基本理論的場致冷陰極發(fā)射電流方程ForlerNordheim方程是用于描述 FEA器件陰極場致發(fā)射特性的主要工具。在工作范圍內可以用 t2(y)=,v(y)=– y2來作很好的近似。影響逸出功的因素主要是管內殘余氣體在發(fā)射表面的吸附，脫附。 金剛石結構 金剛石和石墨同樣都是由碳元素構成的，但與石墨的層狀平面的晶型結構（圖 12(a)）所示，不同在金剛石晶體中碳原子是（ SP3 4）的構型，四個（ SP3）電子和其他的碳原子或氫原子分別生成四個鍵生成的四個 O鍵相互以 109‘ 28`的夾角呈正四面體方向空間立體分布。因此它具有很好的機械耐磨性， 是切割 工具首選材料。m附近由于雙聲子吸收而造成的微弱吸收峰（吸收系數(shù)為 cm1）外 ,不存在任何吸收峰。 ，金剛石常常被當成絕緣材料，一般天然金剛石的電阻率為 1010Ω? cm，天然Ⅱ類金剛石室溫下的電阻率為 1~108Ω? cm，其硼的受主能級位于價帶之上約 ,顯然表現(xiàn)為 P 型半導體。金剛石具有很好的化學穩(wěn)定性，所以在惡劣環(huán)境中 金剛石薄膜具有良好的抗腐蝕特性 [7]。 北方民族大學學士學位論文 金剛石薄膜的特性其在場致發(fā)射領域的應用 7 金剛石薄膜的國際國內研究動態(tài) 近年來，國際上以金剛石薄膜納米晶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極其場發(fā)射特性的研究工作被廣泛開展的研究工作被廣泛開展，其中納 米金剛石薄膜作為一個重要的研究熱點之一。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。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。 納米結構的金 剛石材料的場發(fā)射性能具有極大的發(fā)展?jié)摿?。紹樂喜等人將普遍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。 在材料結構中引入可導電的晶界有助于提高材料的導電性。目前國際上和國內對納米金剛石薄膜的研究北方民族大學學士學位論文 金剛石薄膜的特性其在場致發(fā)射領域的應用 8 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。 同時，我們還將根據(jù)納米金剛石薄膜的優(yōu)異的電學特性來設計一個傳感器。建立了納米金剛石薄膜場致發(fā)射模型，分析了納米金剛石薄膜的場致發(fā)射特性，并在此研究基礎上實際應用納米金剛石薄膜的優(yōu)異特性來設計一傳感器，并用實驗的態(tài)度去驗證和探索此傳感器的功能特性。超聲分散的時間一般為 69小時，待 納米金剛石和納米石墨 在 漿料 中充分散即可 （ 1）制備漿料前原料的分析與純化 顯示器的每個像素中一個發(fā)射點就可以使此像素發(fā)光，為了使顯示亮度均勻，單位像素中的顆粒密度應為 1 104個，則直徑為 的金剛石顆粒就能夠實現(xiàn)。我們采用超聲分散的方法解決納米金剛石顆粒的 團聚問題。如圖 6所示，納米石墨粉末的平均粒度為 。 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜的制備 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜，所用的網(wǎng)有金屬絲網(wǎng)和滌綸絲網(wǎng)，絲網(wǎng)目數(shù)為300400 目，可根據(jù)實際印刷的需要確定絲網(wǎng)的質地和絲網(wǎng)目數(shù)。需要印刷特定圖形時，要先制備印刷用的絲網(wǎng)版。玻璃襯底上利用上面敘述的絲網(wǎng)印刷的方法，將上述摻有 納米金剛石 漿料印刷在襯底上作為發(fā)射陰極。由于納米金剛石薄膜漿料中含有大量的制漿材料（乙基纖維素），如果不能充分地將其分解蒸發(fā)掉，這些材料在印刷層干燥后會緊密地包裹在納米金剛石周圍，使之無法發(fā)射電子，熱處理過程使納米金剛石露出薄膜表面，才有利于場發(fā)射。將絲網(wǎng)印刷制備在石墨和不銹鋼襯底上的原始納米金剛石薄膜樣品，采用二極管結構，在真空度為 104Pa 的條件下進行電子場發(fā)射測試。第一段的恒溫主要是烘干薄膜，第二段的恒溫主要是通過漿料本身的表面張力的作用而使印刷層表面更加均勻和平整，是一個自修飾過程。 0 50 100 150 200 250 300 350300350400450500550600 T (K) t ( m i n ) 圖 31 納米金剛石薄膜的燒結曲線 經(jīng)過如上圖這樣的熱燒結處理過程后，就得到了如下圖的印刷納米金剛石薄膜。 北方民族大學學士學位論文 實驗結果分析 19 0 .7 5 1 .0 0 1 .2 5 1 .5 0 1 .7 5 2 .0 0 2 .2 5 2 .5 0 2 .7 5 3 .0 0 3 .2 5 3 .5 0 3 .7 5 4 .0 0 4 .2 52 0 01 0 001002003004005006007008009001000110012001300 o ne lay er s t w o la y er s t hr ee lay er sCurrent density (???CM???El e ct ri c f i e l d (V/ ? m ) 圖 33 石墨襯底上不同厚度的 納米金剛石 薄膜的場發(fā)射特性 厚度 一層 兩層 三層 J=1?A/cm2 時 ,開啟電場（ V/181。分別在石墨襯底材料和不銹鋼襯底材料上印北方民族大學學士學位論文 實驗結果分析 20 刷 納米金 剛石薄膜，所用的漿料中 納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素含量配比 比例為 2： 5： 6。m） 表 32 不同粒度金相水砂紙打磨襯底對納米金剛石薄膜的場發(fā)射特性的影響 0 .0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 2 .0 2 .4 2 .8 3 .2 3 .6 4 .0 4 .4 4 .8010020030040050060070080090010001100120013001400 160 m ol d graphi te 280 m ol d graphi te 160 m ol d s t eel 280 m ol d s teelcurrent density (? A?CM???El e ct ri c f i e l d ( V/ ?? M ) 北方民族大學學士學位論文 實驗結果分析 21 不同粒度 金相水砂紙打磨 襯底對納米金剛石場發(fā)射特性的影響 退火處理對納米金剛石薄膜電子場發(fā)射性能的影響 將絲網(wǎng)印刷制備的納米金剛石薄膜陰極樣品放在退火爐中，在氮氣保護下對樣品分別在溫度為 500℃、 600℃、 700℃和退火時間為 20min 、 10min 進行退火。實驗結果表明 600℃， 15 min 是樣品退火的最佳條件，退火后薄膜的開啟電場和閾值電場都明顯變小。鍵合較好的區(qū)域電 子疏運能力強，與其對應的表面發(fā)射體的場發(fā)射電流遠大于其它部分，由于正反饋作用，該部分的發(fā)射電流會不斷增強，而其它區(qū)域的發(fā)射則受到抑制，造成局部的強烈放電 ,使得樣品整體的發(fā)射性能變差。 圖 35(a) 500℃的 退火 熱處理 圖 35(b) 600℃的 退火 熱處理 圖 35(c) 700℃的 退火 熱處理 不同 溫度 退火 熱處理后 納米金剛 石膜的 AFM 圖 北方民族大學學士學位論文 實驗結果分析 23 溫度在 700℃以上 退火 熱處理時，由于熱處理溫度在 700℃以上的樣品， 溫度過高，雖然有機物會全部揮發(fā)掉，但納米金剛 石膜 與襯底的粘結力太小， 納米金剛石薄膜 容易從襯底上脫落樣品中的電子發(fā)射性能也會下降。從陽極屏上的發(fā)光點的數(shù)量來看，當場強為 時，熒光點的面密度約為 46 個 /cm2，而當場強提高到 ，熒光點的面密度約為 1215個 /cm2，對于顯示應用來說是很不夠的。 薄膜實驗測試過程中的一個共同特點是，隨著時間的持續(xù)，外加電壓會有所增加，同時發(fā)射電流會相應增加，外加電壓的增加可能與電源的穩(wěn)定性有關，扣除這部分引起的增量后，場發(fā)射電流應當是一個比較穩(wěn)定的數(shù)值。因此這個電流的變化量就是我們所利用的物理量，可以利用這個變化量轉化成壓力的大小來通過顯示設備讀取出來。 當 x=0:: (即 x的變化量在 0 到 之間，中間每個變 化量為 ) y=0:100:8250000。功函數(shù) 4ev，則 MATLAB 仿真。 mesh(X,Y,Z)得到 圖 43 dJ/dS 隨 dF/dS 的變化圖如下： 北方民族大學學士學位論文 利用納米金剛石薄膜設計信息傳感器 27 圖 43 功函數(shù)為 5ev 時 dJ/dS 隨 dF/dS 的變化圖 （ 2） 假設把場強 F 取恒定 的值為 3000000 V/ cm, 對功函數(shù)為 6ev 的納米 S金剛石傳感器進行模擬。用納米金剛石作為發(fā)射體，納米石墨作為導電媒質，制作了場發(fā)射薄膜。用納米金剛石作為發(fā)射體，納米石墨作為導電媒質，印刷制備場發(fā)射薄膜。在學士論文定稿之際，首先要感謝的是我的導師張秀霞教授。在我設計本論文的整個過程都離不開張老師的諄諄教導。 我要特別感謝我的父母和姐姐，他們以無私的奉獻和熱情的鼓勵，在物質和精神上給予了很大的支持，承擔了本應由我來承擔的那份責任和義務，使我全身心地投入到學習與課題研究中