掺氮纳米金刚石薄膜的微观结构对微波场发射性能影响

稀有金属, 2016, 40(10): 1015-1020. doi: 10.13373/j.cnki.cjrm.XY15010401

掺氮纳米金刚石薄膜的微观结构对微波场发射性能影响

许立 ^1, , 熊鹰 ^2, , 王兵 ^3, , 韩汶洪 ^4, , 刘兴龙 ^5, , 方利平 ^6,

1.西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室—省部共建国家重点实验室培育地,四川绵阳,621010

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基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目(11205127)资助国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(U1330127)

关键词：微波等离子体化学气相沉积 , CH4浓度 , 掺氮纳米金刚石薄膜 , 微观结构 , 微波场发射

Microwave Field Emission Performances of Nitrogen-Doped NCD Thin Films Affected by Microstructure

Keywords： microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) , CH4 concentration , nitrogen-doped NCD thin films , microstructure , microwave field emission

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法,通过改变CH4浓度,在单晶Si(100)基底上制备掺氮纳米金刚石(NCD)薄膜,并以所制备的掺氮NCD薄膜为阴极材料,通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力扫描探针显微镜(AFM)、Raman光谱和S波段射频电子枪等测试方法系统地研究了掺氮NCD薄膜的微观结构对微波场发射性能的影响.结果表明:在CH4浓度(体积比)为4％下,制备的掺氮NCD薄膜的颗粒呈多面体,而且颗粒尺寸和表面粗糙度较大,薄膜中金刚石相含量较高,这些微观结构使得微波场发射性能较高,在电场强度(E0)为67.7 V·μm-1时,发射电流密度(J0)高达144.8 mA·cm-2.当升高CH4浓度,所制备的掺氮NCD薄膜的颗粒尺寸减小而且连成条状结构,表面粗糙度也逐渐降低,薄膜中金刚石相减少、非金刚石相增加,这些微观结构的改变使得微波场发射性能逐渐降低.如当CH4浓度增加至6％时,在电场强度E0=67.7 V·μm-1时,场发射电流密度降至37.9 mA·am-2.结果表明:低CH4浓度下,掺氮NCD薄膜所具有的微观结构有利于微波场发射.

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