本发明专利技术公开了一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜及其制备方法，属于光电子材料技术领域。利用离子注入技术，将能量为100~500 keV、剂量为1016离子/cm2‑1017离子/cm2的金属离子注入到金刚石薄膜中，然后使薄膜分别在N2、Ar或H2气氛中退火，即得所述金属纳米颗粒/金刚石复合膜。本发明专利技术方法简单，易于操作；所得复合膜中金属纳米颗粒与金刚石直接结合，稳定性好；制备获得的复合膜电阻率低、Hall迁移率高、场发射性能良好，对实现其在半导体器件、场致发射显示器等领域的应用具有重要的科学意义和工程价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜及制备方法，属于光电子材料
技术介绍
金刚石是重要的场发射冷阴极材料。它具有极高的硬度、化学稳定性和良好的导热性，特别是其表面低电子亲合势使金刚石薄膜在很低的场发射阈值电场下便能产生发射电流。由于单晶金刚石较难制备且成本较高，在这方面的研究工作进展缓慢。目前，国内外对金刚石薄膜场发射的研究主要集中在金刚石微尖阵列和金刚石薄膜平板电极。虽然金刚石微尖阵列可以得到大的电流密度，但是制备工艺的困难不易获得均匀大面积的微尖阵列，在实际应用中受到限制。多晶金刚石薄膜由于制备较单晶容易，易于淀积大面积均匀薄膜，因此金刚石薄膜平板电极受到更多研究者的青睐。然而，高质量的金刚石薄膜具有很高的电阻率，近乎绝缘，电子在材料内部的传输比较难，因此导带中电子的补给困难，使得金刚石材料的场发射性能受到限制。为了扩展金刚石材料的应用，人们考虑向金刚石中引入外来的杂质元素，制备高电导率的金刚石薄膜。国内外在化学气相沉积（CVD）过程中掺杂氮等原子以提高金刚石膜的场发射性能。然而，由于大部分元素在金刚石中的溶解度都很低，杂质原子在CVD掺杂过程中优先占据薄膜中的晶界位置，很难进入金刚石晶格中的电子激活位置（p型和 n 型杂质）。因此，CVD掺杂金刚石薄膜的电导主要来自于晶界的电导，而晶粒对薄膜电导的贡献不大。掺杂后的金刚石电子迁移率低，而低的载流子迁移率使金刚石薄膜中难以形成整流和放大器件所需要的耗尽层，很难用于电子器件的制作，极大地限制了其在场发射显示器等微电子工业上的应用。因此，同时提高金刚石晶粒和晶界的导电能力，增强金刚石薄膜的载流子迁移率和电导率，制备具有优良场发射性能的金刚石薄膜，对实现金刚石材料在平板显示器等真空微电子工业上的应用具有重要的科学意义和工程价值。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜及制备方法。本专利技术提供了一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，以单晶硅为衬底制备金刚石薄膜，向金刚石薄膜中注入金属离子，并经N2、Ar、或H2气氛中退火得到复合膜，所得复合膜中导电性能不佳的非晶碳转变成具有高导电性能的微晶石墨；退火处理后，金属纳米颗粒同时存在于金刚石的晶粒和晶界中；所述薄膜中金属纳米颗粒连接了金刚石中导电的sp2相碳为薄膜中电子的传导提供路径。金刚石的晶粒和晶界的导电能力增强。金属纳米颗粒掺杂后，场发射开启电场降至5V/μm及以下；超纳米金刚石薄膜的场发射开启电压在7V/μm及以下。上述方案中，所述金属纳米颗粒为银、铜、金、铂中的任一种；所述金刚石薄膜为微晶金刚石薄膜。作为另一种优选方案，所述的金刚石薄膜为超纳米金刚石薄膜。本专利技术提供了一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜的制备方法，包括以下步骤：（1）在单晶硅衬底上制备金刚石薄膜；所述金刚石膜为微晶金刚石薄膜或超纳米金刚石薄膜；（2）采用离子注入的方法，在步骤（1）得到的金刚石薄膜中注入金属离子；（3）将步骤（2）得到的离子注入后的金刚石薄膜在N2 、Ar或H2气氛中退火，即得所述金属纳米颗粒/金刚石复合膜。本专利技术使用keV级离子注入的方法完成掺杂步骤，将金属离子掺入到金刚石的晶粒和晶界中，通过N2、Ar或H2气氛中退火，一方面在在金刚石晶粒和晶界中形成富含电子的金属纳米颗粒，为薄膜中电子的传导提供通道；另一方面促使薄膜中导电性能不佳的非晶碳转变成具有高导电性能的微晶石墨；最终获得具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜。所述步骤（1）中金刚石薄膜可按照本领域常规方法制备，可采用微波等离子体化学气相沉积方法、热丝化学气相沉积方法、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积方法等。上述方法中，制备微米金刚石薄膜的方法如下：采用化学气相沉积设备，以纯度为99.999%的H2和纯度为99.9%的CH4为反应气体，沉积温度为750~950℃，沉积时间为10~100h，制备得到厚度为5~100μm的微米金刚石薄膜。上述方法中，制备超纳米金刚石薄膜的方法如下：采用化学沉积设备，以纯度为99.999%的Ar和H2及纯度为99.9%的CH4为反应气体，沉积温度为750~950℃，沉积时间为2~10 h，制备得到厚度为200 nm~5μm的超纳米金刚石薄膜。上述方法中，所述步骤（2）中，所述金属离子的注入剂量为1016~1017离子/cm2，注入能量为80~500 keV。优选地，所述金属注入剂量为5×1016 ~1×1017离子/cm2，注入能量为100~500 keV。上述方法中，所述步骤（3）中，所述退火气氛为N2、Ar、或H2气氛，退火温度为300~800℃，退火时长为0.5~3小时。优选地，N2 、Ar或H2气氛中退火温度为500~600℃，退火时长为1~3小时。本专利技术使用离子注入结合后续退火的方法，将金属纳米颗粒同时掺杂于金刚石的晶粒和晶界中，金属纳米颗粒连接了金刚石中导电的Sp2相碳（如微晶石墨等），为薄膜中电子的传导提供路径，有效地提高了金刚石薄膜的场发射性能。与CVD掺杂相比，本专利技术采用的离子注入掺杂可以有效地控制掺入金刚石的杂质种类、浓度和深度分布，不受该杂质在金刚石中的平衡溶解度的影响。此外，杂质离子可以同时掺入到金刚石晶粒和晶界中，诱导新的亚稳态形成，避免了在CVD掺杂过程中杂质集中在晶界而不能进入到金刚石晶粒，即金刚石晶粒对薄膜导电没有贡献的缺点。更重要的是，离子注入能够对基体材料进行表面改性而不改变基体材料的特性。Ag、Cu、Au等金属具有电子传导快、电阻率小、导热性好等优异的电学性质，在微电子器件、光电子器件和太阳能利用等领域有广泛的应用前景。因此，选择合适的注入能量和注入剂量，在金刚石薄膜内形成金属纳米颗粒“导电岛”与晶界处导电相(sp2碳)连接，可同时提高金刚石晶粒和晶界的导电能力，从而增强金刚石薄膜的载流子迁移率和电导率。本专利技术的研究结果，将可为制备高场发射效率的金刚石薄膜提供实验和理论依据，对实现金刚石材料在平板显示器等真空微电子工业上的应用具有重要的科学意义和工程价值。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术制备金属纳米颗粒/金刚石复合膜的方法简单，易于操作；（2）采用离子注入并结合后续退火的方法，可以在金刚石晶粒和晶界中同时掺入导电的金属纳米颗粒，为电子的传输提供导电通道，使得金刚石晶粒和晶界的导电能力均被增强；并且通过N2、 H2或Ar气氛退火，使得薄膜中不利于导电的非晶碳转变成具有高导电性能的纳米石墨；（3）采用离子注入仅对金刚石薄膜近表面区域进行改性而不改变体材料的特性；（4）金属纳米颗粒与金刚石直接结合，稳定性好；（5）制备获得的金属/金刚石复合膜电阻率低、Hall迁移率高、场发射性能良好，对实现其在半导体器件、场致发射显示器等领域的应用具有重要的科学意义和工程价值。附图说明图1为实施例1中铜离子注入剂量为1×1017离子/cm2，在N2气氛中700℃退火后的微米金刚石膜的SEM图片。图2为实施例1中铜离子注入剂量为1×1017离子/cm2，在N2气氛中700℃退火后的微米金刚石膜的拉曼图片。图3为实施例1中铜离子注入剂量为1×1017离子/cm2，在N2气氛中7本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，其特征在于，以单晶硅为衬底制备金刚石薄膜，向金刚石薄膜中注入金属离子，并经N2、Ar、或H2气氛中退火得到复合膜，所得复合膜中导电性能不佳的非晶碳转变成具有高导电性能的微晶石墨；退火处理后，金属纳米颗粒同时存在于金刚石的晶粒和晶界中。
【技术特征摘要】
1.一种具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，其特征在于，以单晶硅为衬底制备金刚石薄膜，向金刚石薄膜中注入金属离子，并经N2、Ar、或H2气氛中退火得到复合膜，所得复合膜中导电性能不佳的非晶碳转变成具有高导电性能的微晶石墨；退火处理后，金属纳米颗粒同时存在于金刚石的晶粒和晶界中。2.根据权利要求1所述的具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，其特征在于，所述金属纳米颗粒为银、铜、金、铂中的任一种；所述金刚石薄膜为微晶金刚石薄膜。3.根据权利要求1所述的具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，其特征在于，所述的金刚石薄膜为超纳米金刚石薄膜。4.根据权利要求1所述的具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜，其特征在于，金属纳米颗粒掺杂后的金刚石薄膜的场发射开启电压≤7V。5.一种权利要求1~4任一项所述的具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）在单晶硅衬底上制备金刚石薄膜；（2）采用离子注入的方法，在金刚石薄膜中注入金属离子；（3）将离子注入后的金刚石薄膜在N2、Ar、或H2气氛中退火，即得具有优良场发射性能的金属纳米颗粒/金刚石复合膜。6.根据权利要求5所...
【专利技术属性】
技术研发人员：申艳艳，于盛旺，黑鸿君，贺志勇，林乃明，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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