【正文】 0 4 .5 5 .02 0 002004006008001000120014001600 6 0 0 ? C 1 5 m i n 6 0 0 ? C 1 0 m i n 5 0 0 ? C 1 5 m i n 5 0 0 ? C 1 0 m i n 7 0 0 ? C 1 5 m i n 7 0 0 ? C 1 0 m i ncurrent density (???CM??El e ct ri c f i e l d ( V/ ? M ) 圖 34 不同退火條件下不銹鋼襯底上 納米金剛石薄膜 電子場發(fā)射的特性曲線 500℃的 退火 熱處理溫度下，整個 不銹鋼襯底與金剛石接觸的界面鍵合作用北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗結(jié)果分析 22 很弱，造成電子在不同區(qū)域的疏運能力差異較大。這表明適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間，可以使樣品中的有機物質(zhì)、雜質(zhì)進(jìn)一步揮發(fā)，使更多的納米結(jié)構(gòu)的 納米金剛石 露出表面，增加樣品的場增強因子，提高其電子場發(fā)射性能。圖 514為不同退火條件下納米 納米金剛石薄膜 電子場發(fā)射的特性曲線。使絲網(wǎng)印刷的納米金剛石薄膜中含有的有機物質(zhì)和雜質(zhì)揮發(fā)去除掉，然后 采用二極管結(jié)構(gòu)測試樣品在不同條件退火后電子場發(fā)射性能。m） J=1mA/cm2時 ,閾值電場（ V/181。對印刷好的 納米金 剛石薄膜進(jìn)行熱燒結(jié)處理以及表面后處理，石墨和不銹鋼襯底上 納米金 剛石薄膜的場發(fā)射特性比較于表 54 和圖 514，石墨上 160 的金相水砂紙打磨的 納米金 剛石薄膜的開啟電場、閾值電場比較小，同一電場強度下石墨襯底上 納米金 剛石薄膜的場發(fā)射電流密度比不銹鋼襯底上 納米金 剛石薄膜的場發(fā)射電流密度大。 將打磨好的襯底材料先用吹風(fēng)機吹去大的顆粒，然后用酒精擦洗干凈。m） J=1mA/cm2時 ,閾值電場（ V/181。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗結(jié)果分析 18 圖 32 熱燒結(jié)處理的印刷在襯底上的納米金剛石薄膜表面的 SEM 照片 不同的印刷厚度對納米金剛石場發(fā)射特性的影響 用 2:5:6 比例漿料印刷在石墨襯底上不同厚度的納米金剛石薄膜的開啟電壓隨厚度的不同而不同（圖 513），印刷 一層漿料的納米金剛石的開啟電場為；印刷二層漿料納米金剛石薄膜的開啟電場為 ；印刷三層漿料的納米金剛石薄膜的開啟電場為 ；厚度小的雖然容易開啟發(fā)射，但薄膜的均勻性差影響強電場下的場發(fā)射；厚度大的薄膜均勻性好，但影響電子的輸運，顯然印刷兩層的隨著場強的增大納米金剛石薄膜的發(fā)射性能最好。從下圖可以看出，無機物充分分解。最后是自然降溫過程，圖中的線段不代表實際 溫度。并使印刷層充分干燥。熱處理過程包括 3個升溫階段、 3 個恒溫階段和 1 個降溫階段。場發(fā)射特性的測試采用二極結(jié)構(gòu)，納米金剛石薄膜作為陰極，發(fā)射面積為 28 cm2，涂有熒光粉的ITO 玻璃作為陽極，陰陽極間距為 200 微米，工作電壓采用連續(xù)直流方式。 圖 210 工智能控制高溫?zé)Y(jié)爐控制面板各部分名稱 絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜實驗測試系統(tǒng)裝置和電路 （ 1）實驗測試系統(tǒng)裝置 （ 1 ） （ 2 ） 3 4 （ 5 ） （ 6 ） （ 7 ） （ 8 ） （ 9 ） （ 10 ） （ 1 ） 輸出指示； （ 2 ） 自整定； （ 3 ） 報警指示； （ 4 ）程序控溫運行指示； （ 5 ） 測量值顯示（上顯示器） PV ； （ 6 ） 給定值顯示（下顯示器） SV ； （ 7 ） 設(shè)置鍵；（ 8 ） 數(shù)據(jù)移位鍵； （ 9 ） 數(shù)據(jù)減少鍵； （ 10 ）數(shù)據(jù)增加鍵； 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 15 圖 211 圖 212 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 16 （ 2）電路 利用實驗測試系統(tǒng)裝置和電路，對絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜的場發(fā)射特性進(jìn)行研究，評價納米金剛石薄膜材料的場致發(fā)射特性的性能參數(shù)主要包括開啟電場、閾值、場發(fā)射電流密度、場發(fā)射電流穩(wěn)定性、場發(fā)射電子光斑分布等。 圖 25 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 13 1．絲網(wǎng)印刷機 圖 26 人工手動操作絲網(wǎng)印刷機 圖 27 自動絲網(wǎng)印刷機 2．人工智能控制高溫?zé)Y(jié)爐設(shè)備 顯示工作電壓 顯示工作電流 電源開關(guān) 電源啟動 電源停止 控制面板 圖 28人工智能控制高溫?zé)Y(jié)爐設(shè)備 圖 29人工智能控制高溫?zé)Y(jié)爐面板及各部分名稱 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 14 具體控制按鍵的名稱和功能如圖所示，根據(jù)圖 41 的燒結(jié)曲線設(shè)定程序進(jìn)行燒結(jié)工藝改進(jìn)。熱燒結(jié)處理可以達(dá)到兩個目的：一方面可以使印刷的納米金剛石薄膜干 燥并牢固地粘結(jié)在襯底上，另一方面可以使印刷的納米金剛石薄膜中所含制漿材料分解蒸發(fā)掉。 在不銹鋼和石墨襯底上利用上面敘述的絲網(wǎng)印刷的方法，將上述摻有石墨的納米金剛石漿料印刷在襯底上作為發(fā)射陰極。 采用自動印刷機的工藝流程為：調(diào)整印刷器的壓力→上網(wǎng)框→對版→固定工作臺→二次對準(zhǔn)→固定印刷臺（網(wǎng)框 ）→調(diào)整刮板壓力→上漿→試印刷→正式印刷。 制版工藝流程為：繪制原稿→制作陽圖片→選擇網(wǎng)框→繃網(wǎng)→粘網(wǎng)→網(wǎng)版前北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 12 處理（清洗）→涂感光膠→烘干→曬版→顯影→修版→二次曝光→干燥→印刷。絲網(wǎng)印刷納米金剛石薄膜的制備包括納米金剛石漿料的絲網(wǎng)印 刷和印刷后的熱燒結(jié)過程以及對燒結(jié)后納米金剛石薄膜的后處理三個部分。印刷線條越精細(xì)，所需要的目數(shù)越高。冷卻至室溫時分散稀糊狀漿料變成粘稠的狀態(tài)。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10024681012Prpportion (%)D i a m e t e r o f D i a m o n d G ra i n (n m ) % 圖 24 納米石墨粉末的粒度分布比例（平均粒度 ） （ 2）制備漿料過程 納米金剛石和納米石墨在通常情況下很容易團(tuán)聚，分散均勻的漿料有益于提高絲網(wǎng)印刷薄膜的場發(fā)射效果，所以在配制漿料過程中還必須使其得到較好的分散。用高目數(shù)的篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，過濾過程中機械地壓碾糊狀物，以便使納米金剛石和納米石墨充分分散。 為取得較好的場發(fā)射效果，制漿前先將納米金剛石粉末用王水進(jìn)行純化，漂洗后，在溶劑松油醇中未添加制漿劑乙基纖維素前進(jìn)行分散，且分散時最好在加熱狀態(tài)下進(jìn)行，因為這樣可以使溶劑的粘度變小，從而提高分散效果。 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20024681012Prpportion (%)D i a m e t e r o f D i a m o n d G ra i n (n m ) % 圖 23 納米金剛石粉末的粒度分布比例（平均粒度 ） 由于納米金剛石顆粒很容易團(tuán)聚在一起，形成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團(tuán)聚體，這給納米顆粒在金屬襯底表面的均勻分布帶來了很大的困難，從而影響電子發(fā)射的均勻性。當(dāng)然為了提高陰極發(fā)射的均勻性顆粒越小能分布的發(fā)射點越多，發(fā)射會越均勻，且金剛石粉的半徑越小越容易集中發(fā)射尖端的電場，還可以減小電子在金剛石中必需的輸運路徑，簡 化柵極的結(jié)構(gòu)等等，只是場發(fā)射所需的電壓減小，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 10 易于實現(xiàn)實用化，因此納米級顆粒最為理想。 配制漿料的 工藝流程為：純化 納米金剛石 原料→干燥→稱量→松油醇溶劑中長時間超聲分散→加入 納米石墨 → 用高密度的絲網(wǎng) 過篩→加入一定量的制漿劑乙基纖維素→加熱（ 130℃）攪拌→冷卻至室溫。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 9 第二章 實驗系統(tǒng)和實驗關(guān)鍵步驟處理 所采用的制備金剛石薄膜的實驗工藝 一、 漿料的制備 圖 21 甲基纖維素 +水 +納米金剛石 圖 22 硝棉 +乙酸丁酯 +納米金剛石 如圖 圖 3所示，首先用甲基纖維素 +水 +納米金剛石的配方和硝棉 +乙酸丁酯 +納米金剛石的配方制備了漿料，但實驗發(fā)現(xiàn)由于表面張力作用，這兩種漿料印刷的薄膜在不均勻。研究了該薄膜的制備工藝，得到了場致發(fā)射性能良好的優(yōu)化工藝條件。 本研究采用納米金剛石作為微尖，引入石墨作為導(dǎo)電晶界。本課題研究的對象是怎樣制作納米金剛石薄膜和制作納米金剛石薄膜所采用的一些工藝流程，以及所制作的納米金剛石薄膜的一些優(yōu)異的特性，比如其良好的電子場發(fā)射性，耐高溫性和耐腐蝕性等。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(zhì)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。 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。研究表明，金剛 石材料的晶粒越小，其場發(fā)射性能越好。 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]。A/cm178。[21]。 . 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， [8]的電場下電流密度高達(dá) 720181。[20]。m[19]。A/cm178。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。金剛石是唯一的一種能在大氣中穩(wěn)定保持負(fù)電親和勢的材料，因此被普遍認(rèn)為是一種出色的場發(fā)射材料 [517]。 利用化學(xué)氣相沉積（ CVD） [7]的方法合成金剛石膜類似天然金剛石具有高硬度、高導(dǎo)熱率、高電阻率等優(yōu)異的物理化學(xué)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(dǎo)熱率、高擊穿電壓及其它性質(zhì)，因此使用它成為制備的半導(dǎo)體器件可以在高于 600℃的溫度下正常工作。大量的實驗結(jié)果和理論表明金剛石薄膜發(fā)射體的發(fā)射特性優(yōu)異，能夠在同樣大小的開啟電壓下獲得比通常所用的硅材料場致發(fā)射體強得多的場致發(fā)射電流。 金剛石具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性 ，又具有負(fù)電子親和勢 ,很低的電場作用下即可維持向真空中發(fā)射電子。 （ 5）化學(xué)性質(zhì)：，在高溫下各種酸對金剛石幾乎不起作用，空氣中較大尺寸的金剛石晶體在 600700℃以下和金剛石微粉晶體在 450500℃以下均是很穩(wěn)定的。金剛石還具有很高的飽和載流子速度，且其飽和載流子速度在強電場下并不下降。 （ 4） 電學(xué)性質(zhì)：在室溫下金剛石具有很寬的禁帶寬度，其數(shù)值為 ~,介電常數(shù)ε r為 177。 它有較大的折射率，折射率在入射波長分別為 nm， nm， nm 時的值相應(yīng)為 ， 和 。 （ 3）光學(xué)性質(zhì)：金剛石很小的光吸收，它的光學(xué)吸收邊在紫外 波段，波長為 左右，從此波長到毫米波段，除位于 5181。 （ 2）熱學(xué)性質(zhì)：金剛石的熔點為 4000℃；它還具有 很高的熱導(dǎo)率，天然 Ⅱ類金剛石室溫下的導(dǎo)熱率為 26W/(cm?K)，是銅的 5倍。金剛石晶體各晶面上的硬度也不同，其硬度從大到小的順序為 {111}?{110}?{100}。如圖 12(b)所示，正是這種空間的網(wǎng)架的立體結(jié)構(gòu)使得金剛石具有如此眾多的優(yōu)良性質(zhì)。另外，場發(fā)射尖端表面的內(nèi)在熱不穩(wěn)定性也是影響發(fā)射穩(wěn)定性的一個重要因素，在高真空下，由于熱對流困難，在電流密度很高的時候，