微波等离子体射流化学气相沉积在石墨衬底上制备CVD金刚石薄膜的超场发射特性

在过去的几十年里，碳纳米结构如碳纳米管和金刚石膜由于其非凡的力学、热学和电学性能而受到了广泛的关注。金刚石薄膜具有场发射性能好、能隙宽、热导率低、光学穿透性好、硬度高、化学惰性好等特点。此外，它具有很高的生物相容性，可用于医疗应用。近年来，微纳米级金刚石薄膜由于其独特的物理和化学性质，在不同的工业、工程和医疗应用中得到了广泛的应用。然而，在实际应用中仍存在许多局限性。为了充分挖掘金刚石薄膜的潜力，必须进一步研究薄膜生长速度、表面粗糙度、面积均匀性、附着力、应力、操作压力和温度等各种因素。金刚石膜的制备方法有微波等离子体增强化学气相沉积(MPECVD)、热丝化学气相沉积和微波等离子体射流化学气相沉积(MPJCVD)等。

采用微波等离子体射流化学气相沉积(MPJCVD)是首选方式。第一时间，设备成本相对较低，并且消除了与真空兼容性相关的限制。其次，低温高压等离子体过程顺利获得高化学选择性和低离子密度极大地促进了活性化学物质的形成。此外，对膜表面的损伤也相对较低，同时材料界面之间的附着力极好。因此，利用微波等离子体制备金刚石薄膜具有很强的吸引力。近几十年来，金刚石膜涂层以其优异的机械性能被广泛应用于切削刀具的表面保护膜。传统的真空阴极电弧沉积方法的沉积速率较低，只有几十nm min - 1。使用MPJCVD并施加高衬底偏置电压，沉积速率增加到数千nm min - 1。因此，MPJCVD已被证明可以大大提高金刚石膜的沉积速率。此外，顺利获得在沉积过程中对MPJCVD施加多级磁场，可以产生厚度均匀的多晶金刚石膜，其直径可达4至7英寸，这表明可以顺利获得定制设计或修改来改善MPJCVD的沉积温度和厚度均匀性，以用于大规模金刚石膜。

采用相同的制备方法和设置(微波功率为600 W，频率为2.45 GHz，气体压力为70 Torr, CH4和H2气体混合)，甲烷浓度以8%为步长从8%变化到40%，在硅和石墨衬底上沉积金刚石膜2小时。除了SEM分析和表面形貌检查外，还测试了电学性能。在MPJCVD体系中生长的金刚石薄膜表现出极低的导通电压和高的电流密度等特性。在不同条件下制备的金刚石薄膜在不同电场下的场发射电流密度如图12所示。在甲烷浓度为32%的石墨衬底上生长的金刚石薄膜具有最显著的电学性能。

在这种情况下确定的导通电场低至4v /µm。图13是在含32%甲烷的工作气体下，在石墨衬底上生长的金刚石膜(a) 300 X和(b) 50,000 X的SEM图像。在图13a中可以明显地看到10s到100µm大小的大颗粒，而在图13b中放大SEM可以看到石墨结构。由于样品表现出优异的场发射性能，我们进一步研究了金刚石膜的厚度及其组成。图14a为测厚金刚石膜的SEM图像，膜厚约为115.5µm。图14b显示了金刚石膜的拉曼光谱，在光谱中发现了两个主要峰:除了显示金刚石存在的D(左)峰外，还可以清楚地看到右侧的石墨(G)峰。这些被鉴定为形成在金刚石膜上方的碳纳米柱(CNPs)，这可能是由于甲烷(32%甲烷)的大量解离，导致C2物质的形成，然后导致CNPs沉积。该样品的特殊场发射可能归因于石墨衬底上生长的金刚石膜的良好电接触和金刚石膜上CNPs的场增强的综合作用。

采用数值模拟的方法来分析MPJCVD系统的工作原理，优化其几何结构和工作条件。采用有限元多物理场建模方法对氩、氢等离子体MPJCVD系统进行了建模和仿真。研究发现，在最优条件下，等离子体在修复后集中在天线尖端，MPJCVD系统中产生的等离子体与仿真结果一致。在优化的操作条件下，修复后制备，SEM显示，沉积的金刚石膜具有较高的均匀性和陆续在性，金刚石颗粒尺寸约为1µm。此外，顺利获得在制造过程中增加高达32%的甲烷，我们的研究表明，在石墨衬底上生长的金刚石薄膜的导通电场可以低至4 V/µm，相应的场发射与本研究中的其他情况相比，具有非常高的电流密度。这可能归因于石墨衬底上生长的金刚石膜的良好电接触和金刚石膜上CNPs的场增强的综合效应。MPJCVD制备的金刚石薄膜可用于表面硬化，在石墨衬底上生长的金刚石薄膜可作为亮场电子发射源。

凯发k8国际不断致力于金刚石研发和生产，在单晶金刚石和多晶金刚石制备中积累了丰富的经验，推出单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）、多晶金刚石（晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石和氮化镓异质集成）等，产品已应用于5G通讯、LED、医疗设备、航空航天、国防军工等领域。