非晶氮化硼薄膜的場(chǎng)致電子發(fā)射研究解析

1、第29卷第12期2002年12月中國(guó)激光Vol.A29,No.12December,2002文章編號(hào)：025827025(2002)1221110203非晶氮化硼薄膜的場(chǎng)致電子發(fā)射研究張 蘭,馬會(huì)中，姚 寧，胡歡陵,張兵臨31,312323鄭州大學(xué)1工程力學(xué)系,2物理工程學(xué)院，河南鄭州450052中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精 密機(jī)械研究所，安徽合肥230031提要 利用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)在鍍鈦的陶瓷襯底上制備出了非晶態(tài)氮化硼 薄膜,借助于X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)及Raman光譜分析了該薄膜的結(jié)構(gòu),并研究了薄膜 場(chǎng)致電子發(fā)射特性，閾值電場(chǎng)為卩m當(dāng)電場(chǎng)為9Vnm時(shí),電流密度為

2、50卩416Vn An cm關(guān)鍵詞 氮化硼薄膜，脈沖 激光沉積，場(chǎng)致電子發(fā)射中圖分類號(hào)0484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A2FieldElectro nBoro nNitrideFilmG12,YAONi ng,HUHua n2li ng,ZHANGBi nglin2 232men tofE ngin eeri ngMecha nics,Departme ntofPhysics, 3Zhen gzhouU ni versity,Zhe ngzhou,He nan450002;A nhuil nstituteofOpticsa ndfin eMecha ni cs,TheChi neseAcademyofS

3、cie nces,Hefei,A nhuiAbstract Amorphousboro nn itridethi nfilmwasprepared on thetita niumcoatedceramicsubstratebypul sedlaserdepositio ntech nique(PLD).Themicrostructureofthefilmwasexami nedbyusi ngX2r aydiffract ion, sea nnin gelectr onm icroscopya ndRama nspectroscopy.Theelectr on fieldemis sio nc

4、haracteristicswerei nv estigated.Theturn2 on fieldwas卩 m.Thecurrentdensitywas50卩卩 m.4.6V n An cmatanelectricfieldof9VnKeywords boro nn itridethi nfilm,pulsedlaserdepositio n( PLD),fieldelectro nemissio n 21引言隨著場(chǎng)發(fā)射平板顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，尋找好的冷陰極材料的工作受到了人們 的廣泛關(guān)注。近年來，金剛石、類金剛石、納米碳管等碳基薄膜被認(rèn)為1 3是好的冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料。立方氮化硼(c2BN)

5、薄膜與金剛石薄膜有著相似的特性， 如高的硬度、電4阻率和熱導(dǎo)率，且其易摻雜性比金剛石薄膜更優(yōu)越，因此立方氮化硼薄膜作為超硬 涂層及半導(dǎo)體材料受到了人們的重視。六方氮化硼(h2BN)也具有好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，作為好的潤(rùn)滑材料受到人們的關(guān)注。立方氮化硼與六方氮化硼均是寬 帶隙材料,因此,在一定條件下可能具有較低的電子親和勢(shì)，而具有好的場(chǎng)致電子發(fā)射特 性。對(duì)于立方氮化硼薄膜的場(chǎng)發(fā)射特性近來已有研究報(bào)道。TakashiSugi no,ChiharuKimura等報(bào)道了采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積 (PACVD)方法制備出了立方氮化硼薄膜，并研究了該薄膜的場(chǎng)致電子發(fā)射特性，其場(chǎng)卩m5,6。發(fā)射閾值

6、電場(chǎng)為7Vn非晶態(tài)BN因制備方法而異，其帶隙為414519eV,也屬于寬帶隙材料，因此也有可 能成為冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料，但目前尚未見到對(duì)非晶氮化硼場(chǎng)致電子發(fā)射特性的研究。本文報(bào)道 了用長(zhǎng)脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)制備非晶氮化硼薄膜，并研究了其場(chǎng)收稿日期：2002204228收到修改稿日期:2002207209基金項(xiàng)目:863計(jì)劃新材料領(lǐng)域項(xiàng)目和河南省自然科學(xué)基金(編號(hào):004042000)資助項(xiàng)目。），女，講師，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所博士研究生，主要從事激光與物質(zhì)相 互作用及材作者簡(jiǎn)介:張?zhí)m（1971 料科學(xué)等方向的研究3E2mail:blzha .c n1994-2

7、006 Chi na Academic Journal Electro nic Publishi ng House. All rights reservedhttp:/www.c nki. net 12期研究張?zhí)m等:非晶氮化硼薄膜的場(chǎng)致電子發(fā)射1111致電子發(fā)射特性。發(fā)現(xiàn)該薄膜具有較低的場(chǎng)發(fā)射閾ym。用脈沖激光沉積技值電場(chǎng)，閾值電場(chǎng)為416Vn 術(shù)制備的這種薄膜，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：場(chǎng)發(fā)射閾值電場(chǎng)低，沉積效率高；在室溫下即可沉積，不會(huì)影響襯底的電學(xué)特性；以及很容易通過控制 激光脈沖數(shù)而精確地控制薄膜的厚度。應(yīng)室內(nèi)真空度為114X10Pa平均功率密度約10Wn cm,激光脈沖重復(fù)頻率為5Hz，沉積時(shí)間

8、為5min,沉積速率每個(gè)激光脈沖為011 nm,薄膜厚度約36為 150 nm。2實(shí)驗(yàn)方法脈沖激光沉積技術(shù)制備BN薄膜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。以氮化硼作為靶子，表面鍍鈦的陶瓷片作為襯底，將靶子和襯底放在真 空反應(yīng)室內(nèi)，二者相距約3cm。以自由運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)脈沖YAG激光器作為激發(fā)光源，脈沖 寬度約100ms。這里采用長(zhǎng)脈沖激光沉積和用 Q(,。即長(zhǎng)脈沖激光束通過透鏡聚 焦在靶子上,使靶面融化和蒸發(fā)，蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸氣中含有大量的原子和原子7 團(tuán),這些原子和原子團(tuán)冷卻凝結(jié)，從而在襯底上沉積出薄膜。制備薄膜的過程是在 室溫下進(jìn)行的。反BN薄膜的實(shí)驗(yàn)裝置1set2upforprepari ngBNfilm by

9、pulsedlaserdepositi on tech nique3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)該薄膜進(jìn)行了 X射線衍射(XRD)分析,X射線衍射譜各峰值的2 B角及d值 如表1所示,在XRD譜中所有各峰值均為AI2O3襯底的衍射峰，并未呈現(xiàn)出BN的 衍射峰，說明該薄膜是非晶態(tài)。表1X射線衍射峰位置及相應(yīng)d值Table1XRDpeakpositi onan ddvalue2 9d10.2818.598052.4201.744018.0004.924157.3801.604525.4603.495661.1801.513627.9003.192566.4001.406729.3803.037568.1001.

10、375735.0402.558874.2001.277037.6602.386576.7601.240641.5602.171277.0001.237443.2402.090677.3401.O502go o o o0 5 02 11005050010001500 2000 2500 3000Raman shift/cm6802.02652 9d氮化硼薄膜掃描電鏡（SEM）的照片如圖2所示,從圖中可看到，薄膜的表面結(jié)構(gòu) 呈不規(guī)則形狀，而未見任何有序的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這和X射線衍射分析測(cè)試結(jié)果相一 致。圖3給出了該薄膜的Raman光譜,從Raman光-1譜可看到在130015

11、00cm范圍內(nèi)有一寬峰結(jié)構(gòu)，峰值約在139818cm處。立方氮化硼晶體的-1Raman峰為105415和130615cm分別對(duì)應(yīng)于橫-1圖2非晶氮化硼薄膜掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2SEMmicrographofamorphousBNfilm圖3非晶氮化硼薄膜的Raman光譜Fig.3Rama nspectrumofamorphousBNfilm? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.c nki. net中國(guó) 激 光29 卷 11128光學(xué)振動(dòng)模（TO

12、）與縱光學(xué)振動(dòng)模（LO）。Nemanich等研究了六方氮化硼晶體的Rama n 光譜,Raman峰處于136612cm對(duì)應(yīng)于晶面內(nèi)的2sp相B2N振動(dòng);同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著晶粒的變小該9Raman峰向高頻方向移動(dòng)并且譜線加寬。據(jù)此-1可以判定，在圖3中位于139818cm處的寬帶-1Raman峰對(duì)應(yīng)于h2BN的136612cm特征峰，即sp相B2N振動(dòng)峰，這里的Raman峰的頻移和譜線2-1的加寬是由于非晶薄膜的高度無(wú)序所致。從而可以2確定該薄膜是sp相結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)BN薄膜。用所制備的非晶態(tài)BN薄膜作為陰極研究了場(chǎng)致電子發(fā)射特性。場(chǎng)發(fā)射實(shí)驗(yàn)采用 了二極管結(jié)構(gòu)，已在參考文獻(xiàn)10中報(bào)道。陰極面積約為1cm

13、,用鍍ITO的透明導(dǎo)電 玻璃作為陽(yáng)極，為陰極和陽(yáng)極間的隔離墊片,ym Pa行的，得到的電流4所示，從圖 卩m當(dāng)電場(chǎng)為中可計(jì)算出,416V n2時(shí)，電流密度為50卩An 9Vn cm薄膜的Fowler2Nordheim曲線如圖5所示，圖中的曲線近似于線性2圖5非晶氮化硼薄膜的Fowler2Nordheim曲線Fig.5Fowler2NordheimcurveofamorphousBNfilm,BN。參考文獻(xiàn)1 W.Zhu,G.P.Kocha nski,S .Jin etaL.EIectro nfieldemissio nfromio n2impla nteddiamo ndJ. Appl.Phy

14、s.Lett.,1995,67(8):115711592 F.Y.Chua ng,C.Y.Su n,T.T.Che netaL.Localelectro nfieldemissio ncharacteristicsofpulsedlaserdepositeddiam on dlikecarb on filmsJ.A ppl.Phys.Lett.,1996,69(23):350435063 OlivierM.K ttel,OliverGroening,ChristophEmme neggeretaL.EIectro nfieldemissio nfromphasepure nano tubefi

15、lmsgrow nin ametha nen hydrogenplasmaJ.Appl.Phys.Lett.1998,73(15):211A21154DengJin xia ng,Wa ngBo,Ya nH uietaL.Depositi onofcubicboro nn itridethi nfilmswithwidee nergygapJ.Chi n. J.Semic on ductors(半 導(dǎo)體學(xué)報(bào)),2001,22(1):6668(i nChin ese)5 TakashiSugi no,YoshihiroEto,ShigeruTagawa.Fieldemissio ncharact

16、eristicsofboro nn itridefilmsC.I nternatio nalVacuumMicroelectro nicsConferenceIVMC 2000,2000.37S776 ChiharuKimura,TomohideYamamoto,TakashiSugi no.Fieldemissi on characteristicsofbor onn itridefilmsdepositedo nSisubstrateswithcubicbor onnitridecrystalgrainsC.lnternationalVacuumM icroelectronicsConfe

17、renceIVMC 2000,2000.2442457 H.Sa nkur,J.T.Che un g.Formatio no fdielectrica ndsemic on ductorthi nfilmsbylaser2assistedevaporati on J.Appl.Phys.A,1998,47:272848 S.Koizumi,T.Murakami,T.I nu zukaetaL.Epitaxialgrowthofdiam on dthi nfilms on cubicboro nn itride111surfacesbydcplasmachemicalvapor depositi

18、o nJ.Appl.Phys.Lett.,1990,57(6):5635659 R.J .Nema ni ch,S .A .Soli n,RichardM.Marti n.Lightscatteri ngstudyofboro nn itridemicrocrystalsJ.PhysicalReviewB,1981,23(12):6348635510 H.Ma,L.Zha ng,N.Yaoetal.Field2electro nemissio n frompolyimide2ablatedfilmsJ.Appl.Phys.A,2000,71:281 28411MaHuizh on g,Zha ngLa n, YaoNi ngetaL.EI