【摘 要】
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场发射冷阴极材料在X射线管、高功率微波等真空微电子器件领域有着重要应用。传统的冷阴极材料存在着开启场高、发射电流密度小、发射稳定性差等问题,并不适合应用在真空微电子领域。金刚石-石墨烯复合材料因其兼具金刚石和石墨烯的优异特性而成为了一类性能优异的场发射阴极材料,因此,探究这种复合材料的生长工艺和机理对提升其场发射性能意义重大。本文采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术,以液态含氮有机分子为
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场发射冷阴极材料在X射线管、高功率微波等真空微电子器件领域有着重要应用。传统的冷阴极材料存在着开启场高、发射电流密度小、发射稳定性差等问题,并不适合应用在真空微电子领域。金刚石-石墨烯复合材料因其兼具金刚石和石墨烯的优异特性而成为了一类性能优异的场发射阴极材料,因此,探究这种复合材料的生长工艺和机理对提升其场发射性能意义重大。本文采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术,以液态含氮有机分子为反应源制备了掺氮超纳米金刚石-石墨烯纳米墙复合薄膜（UNCD-GNWs）。通过FESEM、HRTEM、Raman、XRD等分析了工艺参数（如氢气通量、生长温度等）对UNCD-GNWs物相、形貌的影响;采用真空平面二极管测试了UNCD-GNWs的场发射性能;利用等离子体发射光谱（OES）原位监测UNCD-GNWs生长过程中等离子体成分并提出了可能的生长机理。研究表明:（1）随着氢气通量增加,薄膜表面针状纳米结构尺寸增大,边界逐渐清晰,同时石墨结晶度降低,金刚石结晶度增加;生长温度增加,薄膜表面形貌由颗粒团簇状演变成尺寸逐渐增大,边界逐渐清晰的针状纳米结构,且薄膜中金刚石含量降低,石墨含量增加;采用过高的N/C的反应源会导致薄膜具有更小的纳米墙尺寸以及生长速率等。（2）生长温度为750℃的UNCD-GNWs表现出最优异的场发射性能,开启场低至4.0 V/μm,在8.8 V/μm的电场强度下,发射电流密度高达13.0 m A/cm~2。其优异的场发射性能归因于针状纳米金刚石周围存在着大尺寸、高结晶性多层石墨稀,保证了较好导电性的同时,还构建了从材料内部到表面的良好的电子输运路径。（3）OES观测到在UNCD-GNWs生长过程中存在C2、CN、Hα、CH物种。随着生长温度增加,C2、CN、Hα物种的总体含量均增加,但其百分比含量仅C2在增加,CN、Hα、CH均在降低。机理推测:CH和C2物种分别负责金刚石和石墨烯的形成,Hα是主要的刻蚀物种,温度升高,CN物种被活化并诱导形成了针状的纳米金刚石。经过各化学物种的协同作用,最终形成了不同的UNCD-GNWs。这种生长机理的提出对实现UNCD-GNWs的形貌、物相及场发射性能的有效调控提供了理论依据,拓宽了其在场发射领域的应用前景。
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