等离子体刻蚀形成氮化铝纳米锥的场发射特性.pdf

等离子体刻蚀形成氮化铝纳米锥的场发射特性

路超,李云龙,李俊杰,顾长志

,,∀
中科院物理所微加工实验室北京中关村南三街号邮编!

一∀∀,一
联系人#∃%&∋(#)∗+,&−./%0#1介∋(23452一!6

,
摘要(采用等离子体刻蚀的方法在氮化铝薄膜上制备了氮化铝纳米锥阵列形成的氮化铝锥具有高长径

,。
比和分布均匀的特点并能通过改变刻蚀参数对氮化铝锥的形貌和密度进行控制场发射特性测试结果

,,
显示氮化铝锥阵列的场电子发射能力较氮化铝薄膜有很大程度的提高具有较低的开启电场并能在低

。,
外电场情况下可获得较高的发射电流密度氮化铝纳米锥不仅作为宽带隙纳米材料同时还具有负电子

。
亲和势以及显示出的优异场发射特性都使其在场发射器件及其它真空电子学领域具有广泛的应用潜力
关键词(等离子体刻蚀7氮化铝7纳米锥阵列7场发射

引言

、、、
89:不仅具有高强度高热导率耐高温化学和热稳定好的特点,还具有负的电子亲和势,被认

。
为是除金刚石之外,又一个极具发展潜力可作为未来冷阴极发射的候选材料之一【随着低维材料

,。
制备和物性研究的不断开展氮化铝的低维结构引起了人们广泛的兴趣近年来,对于氮化铝的一维结

、、,。
构研究主要包括氮化铝管氮化铝棒氮化铝线和氮化铝锥【3;<通过比较不同结构氮化铝的场

。
电子发射特性和光学特性,人们发现锥形结构是氮化铝制备电学和光学纳米器件最理想的选择目前报
道的通过刻蚀技术形成氮化铝锥阵列的方法主要分为两种(一种是在已经形成的尖状体上均匀涂覆氮化

,,,
铝薄膜一种是利用生长的方法制备氮化铝纳米锥但是这两种方法的制备上均存在明显的缺点前一

、,。
种方法附着力低不耐磨损和容易脱落而后一种的=>?生长很难对纳米锥的密度和形貌进行控制因

,,,
此在本文中采用了一种自上而下的等离子刻蚀方法来制备氮化铝纳米锥结构这种方法无须掩膜依

,,
靠薄膜表面的颗粒度和粗糙度采用高能量碳基和氢等离子体对薄膜表面进行刻蚀从而形成纳米锥阵

。,
列对氮化铝纳米锥阵列的场发射特性进行测试结果表明无掩膜刻蚀制备的氮化铝纳米锥具有优异的
场发射能力,是理想的冷阴极场发射材料。

首先利用磁控溅射系统在硅衬底上生长了高质量的≅3Α取向的氮化铝薄膜作为制备氮化铝纳米

,
锥的基底7然后将氮化铝薄膜样品放入热灯丝化学气相沉积系统≅ΒΧ=Δ?Α中利用=Β5和Β3的混合气

,
体作为刻蚀气体进行刻蚀过程7刻蚀过程中0Β5和ΒΕ的气体比为≅∀2一2Α((刻蚀气压稳定在2一

,,
52ΦΓΗΗ7调节灯丝和衬底间距使衬底温度为6一!℃之间此外在灯丝和衬底≅阴极Α之间加;>

。,
负偏压对刻蚀后的氮化铝薄膜样品进行表面和成分以及微结构的测试表征从而确认形成纳米锥的形

。
貌以及是否还保持氮化铝材料的本征特性等氮化铝纳米锥阵列样品的场发射特性测试是在一台自行组

,一
装的高真空平板形场发射测试装置完成的真空度可达一3Ι∋Γ6ϑ%7测试过程中样品作为阴极,Κ0∃Ι

。
Κ0∃的工ΦΛ平板玻璃作为接收电子阳极,阴阳极之间用3−∃玻璃纤维隔开,测量环境为室温外加

,
电压由量程为一2ΓΔ的连续可调的恒压高压电源提供发射电流由美国Μ#&Ν.∋#/公司4268型皮

,。
安表读出其测量精度和最大量程分别为∋−8和ΕΓ∃8

,
图≅%Α给出了刻蚀前的氮化铝薄膜样品的表面形貌可以清楚地看到≅3Α氮化铝的鹅卯石状颗

,。
粒排布的典型特征同时在图≅0ΑΟΠ9Α中氮化铝薄膜也显示出典型的≅3Α取向的尖峰图∋≅ΘΑ显示
了刻蚀后氮化铝薄膜表面形貌发生很大变化,表面形成了均匀分布的纳米锥阵列,它们具有较高的长径

,,
比和较高的密度对刻蚀后的氮化铝表面进行Ρ?Ι能谱测试表明刻蚀后形成纳米锥的主要成份为8∋:

,。
和2说明形成的纳米锥仍是89:此外为了测试刻蚀后形成的氮化铝纳米锥的微结构是否还保持≅3Α

,,
取向我们对刻蚀前后的薄膜表面进行了ΟΠ?图谱比较≅见图≅。Α结果表明刻蚀后形成的氮化铝纳

,,
米锥阵列仍保持≅3Α取向但是在ΟΠ?中刻蚀后的≅3Α峰的强度较刻蚀前有明显减弱但是足以证明

5
。
刻蚀过程并没有改变氮化铝的≅3Α晶向因此Ρ?Ο和ΟΠ?测试结构可以说明刻蚀后氮化铝薄膜表面

。
形成的纳米锥阵列为具有≅3Α取向氮化铝纳米锥

图刻蚀前后的氮化铝表面形貌以及ΟΠ?图谱对比

。
图3给出了给出了氮化铝薄膜样品在刻蚀前后的场发射特性Σ一Ρ曲线比较首先定义在本文中的场

。,
发射开启电场为发射电流密度达到−8Τ0∃Ε时对应的外电场因此从图3中可以得出氮化铝薄膜的

∀,∀。
开启电压为Υ5Ε>Τ协∃而经过刻蚀后得到的氮化铝纳米锥阵列的开启闽