微奈米鑽石場發射端製作及其特性研究

Characteristic study and fabrication of field emitters by ultra-nano crystalline and micro-crystalline diamond

鄭文秀

指導教授 ： 蔡宏營

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00178

摘要

本篇論文研究中是以微波電漿輔助化學氣相沈積法，成長超微奈米鑽石薄膜並製作超微奈米鑽石平面場發射元件。我們使用不同的機台參數來成長鑽石薄膜，使新的機台達到穩定的狀態，並探討其電子場發射特性。實驗中發現，成長超奈米鑽石薄膜以及微米鑽石薄膜，分別在功率120 W、壓力130 torr以及功率120 W、壓力80 torr時，其表面型態和拉曼檢測結果最好，且機台相對較穩定。另外，進而使用兩種參數長成的複合鑽石薄膜，其電子場發射特性也較佳。
待至機台穩定，且找出較佳的成長參數後，則選定其組合參數，製作微奈米複合鑽石薄膜為陰極材料的鑽石平面場發射元件。為了降低製作成本，本研究首先將以雙面拋光矽片為基板，成長完鑽石薄膜的試片，利用陽極接合儀器和Pyrex 7740玻璃接合在一起，以取代昂貴的SOI矽片；接著再利用犧牲層結構來製作出實驗需要的兩極結構，並討論不同幾何結構對元件場發射特性的影響，另外也藉由改變針尖之間的間距以及針尖的角度銳、鈍，來觀察電流大小和電流密度的變化。
最終利用了簡單有效的製程，且得到當元件擁有適當的針尖高度和兩極距離，其針尖距離約為24 μm的結構配置有最佳的場發射特性，起始電場為46 V/μm，可達最大電流為39.5 μA(208.4 mA/cm2)。

關鍵字

鑽石薄膜 ； 化學氣相沈積 ； 場發射 ； 側向

參考文獻

[1] K. E. Spear and J. P. Dismukes, Synthetic diamond: emerging CVD science and technology: Wiley, (1994).

[2] K. Chakrabarti, R. Chakrabarrti, K. K. Chattopadhyay, S. Chaudhrui, andA. K. Pal, “Nano-diamond films produced from CVD of camphor,” Diamond and Related materials, 7, 845-852, (1998).

[3] V. Ralchenko, A. Karabutov, I. Vlasov, V. Frolov, V. Konov, S. Gordeev,S. Zhukov, and A. Dementjev, “Diamond–carbon nanocomposites: applications for diamond film deposition and field electron emission,” Diamond and Related materials, 8, 1496-1501, (1999).

[5] S. G. Wang, Q. Zhan, S. F. Yoon, J. Ahn, Q. Wang, Q. Zhou, and D. J.Yang, “Electron Field Emission Properties of Nano-, Submicro- and Micro-Diamond Films, ”Physical Status Solidi, 193, 546-551, (2002).

[7] V. Mortet, O. Elmazria, M. Nesladek, M. B. Assouar, G. Vanhoyland, J.D’Haen, M. D. Olieslaeger, and P. Alnot, “Surface acoustic wave propagation in aluminum nitride-unpolished freestanding diamond structures,” Applied Physics Letters, 81, 1720-1722, (2002).