非晶氮化硼薄膜的場致電子發(fā)射研究

1、第29卷第12期2002年12月中國激光Vol.A29,No.12December,2002文章編號:025827025(2002)1221110203非晶氮化硼薄膜的場致電子發(fā)射研究張?zhí)m,馬會中,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中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所,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),并研究了薄膜場致電子發(fā)射特性,閾值電場為m,當電場為9Vm時,電流密度為50416VA

2、cm。關(guān)鍵詞氮化硼薄膜,脈沖激光沉積,場致電子發(fā)射中圖分類號O484文獻標識碼A2FieldElectronBoronNitrideFilmG12,YAONing,HUHuan2ling,ZHANGBinglin2232mentofEngineeringMechanics,DepartmentofPhysics,3ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450002;AnhuiInstituteofOpticsandfineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Hefei,AnhuiAbstractAmorphousboron

3、nitridethinfilmwaspreparedonthetitaniumcoatedceramicsubstratebypulsedlaserdepositiontechnique(PLD).ThemicrostructureofthefilmwasexaminedbyusingX2raydiffraction,scanningelectronmicroscopyandRamanspectroscopy.Theelectronfieldemissioncharacteristicswereinvestigated.Theturn2onfieldwasm.Thecurrentdensity

4、was50m.4.6VAcmatanelectricfieldof9VKeywordsboronnitridethinfilm,pulsedlaserdeposition(PLD),fieldelectronemission21引言隨著場發(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為13是好的冷陰極場發(fā)射材料。立方氮化硼(c2BN)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

5、穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性,作為好的潤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,而具有好的場致電子發(fā)射特性。對于立方氮化硼薄膜的場發(fā)射特性近來已有研究報道。TakashiSugino,ChiharuKimura等報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致電子發(fā)射特性,其場m5,6。發(fā)射閾值電場為7V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發(fā)射材料,但目前尚未見到對非晶氮化硼場致電子發(fā)射特性的研究。本文報道了用長脈沖激光沉積(PLD)技

6、術(shù)制備非晶氮化硼薄膜,并研究了其場收稿日期:2002204228;收到修改稿日期:2002207209基金項目:863計劃新材料領(lǐng)域項目和河南省自然科學(xué)基金(編號:004042000)資助項目。),女,講師,中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機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介:張?zhí)m(1971料科學(xué)等方向的研究。3E2mail:blzhang© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 12期張?zhí)m等:非晶氮化硼薄膜的場致電子發(fā)射研究1111致電子發(fā)射

7、特性。發(fā)現(xiàn)該薄膜具有較低的場發(fā)射閾m。用脈沖激光沉積技值電場,閾值電場為416V術(shù)制備的這種薄膜,其顯著優(yōu)點是:場發(fā)射閾值電場低,沉積效率高;在室溫下即可沉積,不會影響襯底的電學(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114×10Pa,平均功率密度約10Wcm,激光脈沖重復(fù)頻率為5Hz,沉積時間為5min,沉積速率每個激光脈沖為011nm,薄膜厚度約-36為150nm。2實驗方法脈沖激光沉積技術(shù)制備BN薄膜的實驗裝置如圖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。以自由運轉(zhuǎn)長脈沖YAG激光器作為激

8、發(fā)光源,脈沖寬度約100ms。這里采用長脈沖激光沉積和用Q(,。即長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,這些原子和原子團冷卻凝結(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行的。反BN薄膜的實驗裝置1set2upforpreparingBNfilmbypulsedlaserdepositiontechnique3實驗結(jié)果分析對該薄膜進行了X射線衍射(XRD)分析,X射線衍射譜各峰值的2角及d值如表1所示,在XRD譜中所有各峰值均為Al2O3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T

9、able1XRDpeakpositionanddvalue2d10.2818.598052.4201.744018.0004.924157.3801.604525.4603.495661.1801.513627.9003.192566.4001.406729.3803.037568.1001.375735.0402.558874.2001.277037.6602.386576.7601.240641.5602.171277.0001.237443.2402.090677.3401.232844.6802.02652d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

10、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13001500cm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.3RamanspectrumofamorphousBNfilm© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publis

11、hing House. All rights reserved. 中國激光29卷11128光學(xué)振動模(TO)與縱光學(xué)振動模(LO)。Nemanich等研究了六方氮化硼晶體的Raman光譜,Raman峰處于136612cm,對應(yīng)于晶面內(nèi)的2sp相B2N振動;同時發(fā)現(xiàn)隨著晶粒的變小,該9Raman峰向高頻方向移動并且譜線加寬。據(jù)此-1可以判定,在圖3中位于139818cm處的寬帶-1Raman峰對應(yīng)于h2BN的136612cm特征峰,即sp相B2N振動峰,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

12、膜作為陰極研究了場致電子發(fā)射特性。場發(fā)射實驗采用了二極管結(jié)構(gòu),已在參考文獻10中報道。陰極面積約為1cm,用鍍ITO的透明導(dǎo)電玻璃作為陽極,為陰極和陽極間的隔離墊片,m。Pa行的,得到的電流4所示,從圖m,當電場為中可計算出,416V2m時,電流密度為50A9Vcm。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1W.Zhu,G.P.Kochanski,S.Jinetal.Electronfieldemission

13、fromion2implanteddiamondJ.Appl.Phys.Lett.,1995,67(8):115711592F.Y.Chuang,C.Y.Sun,T.T.Chenetal.LocalelectronfieldemissioncharacteristicsofpulsedlaserdepositeddiamondlikecarbonfilmsJ.Appl.Phys.Lett.,1996,69(23):350435063OlivierM.Küttel,OliverGroening,ChristophEmmeneggeretal.Electronfieldemissionf

14、romphasepurenanotubefilmsgrowninamethanehydrogenplasmaJ.Appl.Phys.Lett.,1998,73(15):211321154DengJinxiang,WangBo,YanHuietal.DepositionofcubicboronnitridethinfilmswithwideenergygapJ.Chin.J.Semiconductors(半導(dǎo)體學(xué)報),2001,22(1):6668(inChinese)5TakashiSugino,YoshihiroEto,ShigeruTagawa.Fieldemissioncharacter

15、isticsofboronnitridefilmsC.InternationalVacuumMicroelectronicsConferenceIVMC2000,2000.3763776ChiharuKimura,TomohideYamamoto,TakashiSugino.FieldemissioncharacteristicsofboronnitridefilmsdepositedonSisubstrateswithcubicboronnitridecrystalgrainsC.InternationalVacuumMicroelectronicsConferenceIVMC2000,20

16、00.2442457H.Sankur,J.T.Cheung.Formationofdielectricandsemiconductorthinfilmsbylaser2assistedevaporationJ.Appl.Phys.A,1998,47:2712848S.Koizumi,T.Murakami,T.Inuzukaetal.Epitaxialgrowthofdiamondthinfilmsoncubicboronnitride111surfacesbydcplasmachemicalvapordepositionJ.Appl.Phys.Lett.,1990,57(6):5635659R

17、.J.Nemanich,S.A.Solin,RichardM.Martin.LightscatteringstudyofboronnitridemicrocrystalsJ.PhysicalReviewB,1981,23(12):6348635510H.Ma,L.Zhang,N.Yaoetal.Field2electronemissionfrompolyimide2ablatedfilmsJ.Appl.Phys.A,2000,71:28128411MaHuizhong,ZhangLan,YaoNingetal.Electronfieldemissionfromnitrogenionimplantationdiamond2likecarbonfilmJ.Chin.Phys.Lett.,1999,16(8):608609關(guān)系,說明這是由于隧道效應(yīng)引起的冷陰極場發(fā)射過程。圖4非晶氮化硼薄膜的電流2電壓特性曲線Fig.4I2VcharacteristicsofamorphousBNfilm11已知簡化的F2N公式732ln=ln-2VV-6(d),為場增強因子,這這里=1154×10A里