熱處理對鈦摻雜類金剛石薄膜場發射性能的影響

李栓平, 劉竹波, 王永勝, 于盛旺, 賀志勇, 周 兵

(太原理工大學新型碳材料研究院, 太原 030024)

0 引 言

金剛石、碳納米管、類金剛石(diamond-like carbon，DLC)是近年來興起的一類新型碳材料，該材料因在冷陰極材料方面的優良特性(如低的功函數、負的電子親和勢)而廣泛應用于場發射器件方面[1-3]。但是，金剛石良好的電絕緣性使得其在實際應用中存在較高的場發射閾值電場，這限制了其在場發射方面的應用[4]。碳納米管具有獨特的微觀結構，良好的力學、電學和熱性能，因而在場發射顯示器(field emission displays，FED)方面擁有廣闊的應用前景；但碳納米管在應用過程中容易出現場發射電流不穩定和不均勻的現象，制約了碳納米管的進一步應用[5]。DLC包含相當數量的導電sp2團簇，具有良好的化學穩定性以及平整光滑的表面，因而具有優良的導電性以及較高的場發射電流穩定性和均勻性。此外，DLC薄膜的制備方法多種多樣，工藝簡單可靠、重現性高，是最有望實現產業化的冷陰極材料之一。

但是，在實際使用過程中，DLC薄膜中存在高內應力，且與基體黏附性較差，同時與傳統的冷陰極材料(Spindt型的金屬微尖，如鉬、鎢、鎳、鉻)相比，DLC薄膜很難得到較大的場發射電流。研究[6-7]表明，在DLC碳網絡中嵌入金屬鈦原子不僅可以釋放內應力，改善力學性能，而且還可以提高場發射性能。LIANG等[7]采用非平衡磁控濺射技術制備了鈦摻雜DLC(Ti-DLC)薄膜，發現共面結構的Ti-DLC薄膜在33 V·μm-1外場場強下的場發射電流密度可以高達1.14 A·cm-2。但是Ti-DLC薄膜作為一種潛在的冷陰極材料，在實際使用時往往會受到陰極電流造成的溫度沖擊作用，因此需要考慮冷陰極材料的熱穩定性以及溫度變化對其場發射性能的影響。目前，關于溫度對Ti-DLC薄膜性能影響的研究主要集中在熱穩定性、力學性能方面[8-9]，鮮見溫度對場發射性能影響的研究報道。基于此，作者研究了不同溫度熱處理后多靶磁控濺射Ti-DLC薄膜的結構、成分以及場發射性能的變化，以期對Ti-DLC薄膜在冷陰極材料方面的實際應用起到一定的指導作用。

1 試樣制備與試驗方法

采用多靶磁控濺射技術制備Ti-DLC薄膜。靶材選用高純鈦-石墨復合靶(鈦柱純度99.99%，石墨純度99.999%，鈦柱與石墨靶的面積比為1…13)和金屬鈦靶(純度99.99%)，尺寸為φ50.8 mm×5 mm。工作氣體采用氬氣(純度99.99%)和甲烷(純度99.99%)，本底真空度為2×10-4Pa。鍍膜基底采用n型(100)單晶硅片和高純石英片，分別用于薄膜結構、成分及場發射性能和光學性能測試。基底經去離子水、無水乙醇超聲清洗后，采用氬離子清洗15 min，氬氣流量為30 mL·min-1。將上述材料準備好后放入腔室中，通入氬氣和甲烷并調節二者流量比為2…1；設置鈦-石墨靶和鈦靶濺射功率分別為200 W和100 W，基底偏壓為50 V，靶基距為12 cm，在常溫條件下鍍膜，鍍膜時間為3 h，薄膜厚度約為811 nm。在整個鍍膜過程中，為保證鍍膜的均勻性，基片架始終處于轉動狀態，轉速為2 r·min-1。鍍膜完畢后，將制備好的薄膜取出放置在管式退火爐中于大氣環境進行熱處理，熱處理溫度為300，350，400 ℃，升溫速率為10 ℃·min-1，熱處理時間為60 min，隨爐冷卻至室溫。

采用inVia型激光拉曼(Raman)光譜儀對薄膜的成分進行分析，激發源波長為532 nm，激光功率為20 mW，掃描范圍為50～2 000 cm-1。用Gemini-300型掃描電子顯微鏡(SEM)表征薄膜的微觀形貌。采用PHI Quanta型X射線光電子能譜儀對表面化學成分和成鍵狀態進行分析，工作功率為160 W，鋁靶Kα輻射源的能量為1 486.6 eV，并用金靶(能量84 eV)進行標定。采用SE-VM型橢圓偏振光譜儀對薄膜的厚度進行測試，入射角為65°，測試范圍為380～1 000 nm，每個試樣測2次以減小誤差。使用Cary-300型紫外-可見分光計分析薄膜的能帶結構，波長范圍為200～800 nm。采用自行設計的TYUT型場發射測試裝置對薄膜的場發射性能進行測試，采用二極管型結構，薄膜作為陰極，無氧銅板作為陽極，調節兩極間的距離為100 μm，設置電壓量程為3 kV，步長為5 V，測試過程中由數據采集系統記錄電壓和電流，整個測試過程在真空環境中進行。

2 試驗結果與討論

2.1 成分與結構

圖1 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的拉曼光譜Fig.1 Raman spectra of Ti-DLC film before and after heat treatment at different temperatures

由圖1可以看出：在熱處理溫度低于400 ℃時，Ti-DLC薄膜在1 100～1 800 cm-1均出現相似的雙峰，表明制備的薄膜有典型的DLC特征;400 ℃熱處理后，在1 100～1 800 cm-1范圍內未觀察到DLC的特征峰，而在145，305 cm-1處出現銳鈦礦型TiO2的拉曼峰[11]，說明此時薄膜中DLC含量大幅下降，金屬鈦已被氧化為TiO2并結晶成銳鈦礦晶型，在520 cm-1與940～980 cm-1處出現的分別為單晶硅基底的特征峰和二階峰[12]。采用高斯法分峰擬合光譜，擬合結果如表1所示。由表1可以發現：Ti-DLC薄膜的D峰出現在1 380 cm-1附近，G峰出現在1 590 cm-1附近。在熱處理前Ti-DLC薄膜的D峰與G峰的峰面積比(ID/IG)最小；低于400 ℃熱處理后ID/IG增大，同時G峰向高拉曼頻移方向移動。這表明在熱處理溫度低于400 ℃時，熱處理溫度的升高導致Ti-DLC薄膜中sp2-C相對含量的增加。未熱處理薄膜的拉曼光譜在520 cm-1處未出現單晶硅的特征峰，當熱處理溫度為300 ℃時，薄膜的拉曼光譜在520 cm-1處出現單晶硅的尖峰，說明在300 ℃熱處理后薄膜的厚度減小。當熱處理溫度升高至350 ℃時，在630 cm-1附近出現一寬化峰，這是銳鈦礦型TiO2的拉曼峰[10]，與標準的單晶TiO2材料相比，該波峰明顯展寬，這是納米量子效應的結果[11]；寬峰的出現覆蓋了單晶硅基底的特征峰，因此520 cm-1處未出現單晶硅基底的特征峰。熱處理前和300，350，400 ℃熱處理后，薄膜的厚度分別為811.00,469.55,196.60,158.70 nm。隨著熱處理溫度的升高，薄膜厚度呈不斷減小的趨勢，這是由于薄膜中DLC不斷被氧化所致。

由圖2可以看出：Ti-DLC薄膜在熱處理前就出現了TiO2的峰(458.6 eV)，說明在熱處理前薄膜表面已存在一定程度的氧化；在454.9，461 eV位置未發現TiC的峰，而在456.2 eV位置出現了TiCxOy的峰，這說明薄膜表面的金屬鈦以TiCxOy形式存在。當熱處理溫度為300 ℃時，Ti-DLC薄膜的各峰峰強變化不明顯。隨著熱處理溫度升高至350，400 ℃，TiO2峰明顯增強且出現銳化，這說明此時薄膜表面生成了大量TiO2，并且在400 ℃時456.2 eV位置的TiCxOy峰消失，這說明TiCxOy已完全氧化成TiO2。

表1 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的拉曼光譜分析結果Table 1 Raman spectra analysis results of Ti-DLC film before and after heat treatment at different temperatures

圖2 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的Ti2p窄掃描譜Fig.2 Narrow scanning spectrum of Ti2p of Ti-DLC film before and after heat treatment at different temperatures

2.2 微觀形貌

由圖3(a)可以看出：在熱處理前Ti-DLC薄膜表面由分布均勻的小顆粒組成，這是Ti-DLC薄膜典型的微觀形貌[13]，同時部分位置出現大尺寸顆粒，這是由鈦靶材表面聚集的非晶碳層被靶表面的等離子體濺射飛出并沉積在基底表面形成的；薄膜表面存在大量長度為10～50 nm的線狀微孔結構，這是由于溫度較低基底上的原子擴散能力較弱而未能在其表面連續成膜造成的。由圖3(b)～圖3(d)可以看出：經過300 ℃熱處理后，薄膜表面的小顆粒數量減少，大顆粒數量減少且尺寸減小，這是表面薄膜氧化造成的，同時在熱驅動下薄膜的微孔缺陷數量明顯減少；當熱處理溫度升高到350 ℃時，薄膜表面已基本不存在小顆粒，說明熱處理溫度的升高使得薄膜表面的小顆粒發生氧化而消失；當熱處理溫度升高到400 ℃時，薄膜表面覆蓋了一層結晶狀的TiO2層，基本不存在顆粒物，表面平整度非常高。

2.3 場發射性能

根據F-N理論方程[14]對Ti-DLC薄膜的場發射機制進行解釋，該理論的表達式為

(1)

式中：J為場發射電流密度，A·cm-2；A為常數，取1.54×10-2A·eV·V-2；β為場發射增強因子；E為電場強度，V·μm-1；φ為薄膜的功函數，eV；B為常數，取-6.83×103eV-3/2·V·μm-1。

圖4為不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的場發射電流密度-電場強度曲線及其對應的F-N曲線。由圖4(b)可以看出：熱處理前和300，350，400 ℃熱處理后，Ti-DLC薄膜在分別高于8.50，5.43，9.09，8.84 V·m-1高場部分的F-N曲線近似成線性關系。由式(1)得到，高場部分F-N曲線斜率M的表達式為

(2)

圖3 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的表面SEM形貌Fig.3 Surface SEM morphology of Ti-DLC film before (a) and after (b-d) heat treatment at different temperatures

圖4 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的J-E曲線和F-N曲線Fig.4 J-E curves (a) and F-N plots (b) of Ti-DLC flms before and after heat treatment at different temperatures

則薄膜的場發射增強因子可以表示為

β=-Bφ3/2/M

(3)

假設Ti-DLC薄膜的功函數φ為定值，則由式(3)可知，F-N曲線的斜率越大，薄膜的場發射增強因子越大，材料的場發射性能越好[15]。因此，可以依據F-N曲線斜率來判斷薄膜場發射性能的優劣。

根據圖4得到不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的場發射性能參數。由表2可知：與熱處理前的薄膜相比，300 ℃熱處理后薄膜的開啟場強明顯減小，F-N斜率最大，場發射性能最好。這主要是因為：①薄膜內部結構的變化，即經300 ℃熱處理后薄膜的ID/IG增大、D峰增強、G峰半高寬窄化、D峰和G峰同時向高頻移方向移動，熱處理后薄膜中sp2-C相對含量增加，大量的sp2-C易在薄膜中形成致密重疊的sp2團簇，有效提高sp2團簇之間的連通性，為電子的發射提供良好通道，從而增大薄膜的電導率[16]，有利于為薄膜表面補充發射電子；②薄膜表面勢壘的變化，即經300 ℃熱處理后薄膜表面發生氧化，形成的氧吸附層導致薄膜表面勢壘降低[17]，電子更易從表面發射，導致場發射開啟場強下降。經350 ℃熱處理后，薄膜的開啟場強為9.09 V·μm-1，大于經300 ℃熱處理后的，F-N曲線斜率最小，場發射性能最差，這是因為此時薄膜表面出現大量了TiO2相，TiO2覆蓋在薄膜表面，延緩DLC薄膜的氧化速率[18]，使得電子不能直接從DLC薄膜表面發射，必須獲得額外的能量越過TiO2層才能完成發射過程。經400 ℃熱處理后，薄膜中DLC已基本氧化，DLC含量的驟減使得薄膜厚度減小，電子更易通過薄膜，這導致開啟場強進一步減小，場發射性能再次提高；同時，TiO2發生晶化，與基底結合緊密，二者之間容易形成歐姆接觸[19]，從而有效降低基底與薄膜之間的界面勢壘，導致開啟場強下降。隨著熱處理溫度的變化，薄膜成分發生變化，但場發射電流密度基本不變，這是因為高電阻率的單晶硅基底限制了薄膜的場發射電流密度[7]。

表2 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的場發射性能參數Table 2 Field emission property parameters of Ti-DLC film before and after heat treatment at different temperatures

2.4 能帶結構對場發射性能的影響

對于非晶半導體，能帶結構包含類似于導帶和價帶的擴展態以及帶尾定域態和帶隙中的缺陷定域態，分布在這些態中的電子對電學傳導過程的影響不可忽視[18]。同時，電子在薄膜中的電學傳導過程很大程度會影響材料的場發射性能，因此能帶結構的變化對非晶半導體的場發射性能將產生影響。根據Tauc公式[20]計算非晶半導體的光學帶隙，其表達式為

(αhν)1/2=N(hν-Eg)

(4)

式中：α為光學吸收系數，可由試驗測得；h為普朗克常量，取6.626 069 3(11)×10-34J·s；ν為光的頻率，Hz；N為常數；Eg為光學帶隙，eV。

不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的(αhν)1/2與hν的關系曲線如圖5所示，在吸收邊處選擇線性最好的幾點進行線性擬合，將線性區外推到橫軸上得到的截距即為Eg，即縱軸(αhν)1/2為0時的橫軸值hν。擬合得到熱處理前和300，350，400 ℃熱處理后，Ti-DLC薄膜的光學帶隙分別為2.32，1.93，2.87,3.27 eV。可知，隨著熱處理溫度的升高，光學帶隙呈增大趨勢。由拉曼光譜和X射線光電子能譜分析結果可知，在300 ℃時薄膜的主要成分是DLC，sp2團簇比例增加，導致薄膜光學帶隙下降；而在350，400 ℃時，薄膜中TiO2相的出現及DLC含量的大幅降低導致薄膜光學帶隙的增大。

圖5 不同溫度熱處理前后Ti-DLC薄膜的(αhν)1/2-hν曲線Fig.5 (αhν) 1/2-hν curves for Ti-DLC film before and after heat treatment at different temperatures

圖6 Ti-DLC薄膜的開啟場強與光學帶隙的關系曲線Fig.6 Curve of turn-on field vs optical band gap for Ti-DLC film

對光學帶隙與場發射開啟場強的關系進行擬合。由圖6可以看出：隨著光學帶隙的增大，Ti-DLC薄膜的開啟場強增大。開啟場強與光學帶隙基本成正相關，這反映了場發射電子在越過禁帶到達導帶過程中光學帶隙的阻礙作用[18]。

3 結 論

(1) 與熱處理前的相比，在300 ℃熱處理后，Ti-DLC薄膜中sp2-C相對含量增加，開啟場強最小，場發射性能最好；在350 ℃熱處理后，Ti-DLC薄膜中DLC含量減少，薄膜表面出現大量TiO2相，薄膜的開啟場強最大，場發射性能最差；在400 ℃熱處理后，Ti-DLC薄膜中也出現大量TiO2，DLC含量驟減，薄膜厚度和開啟場強減小，場發射性能提高。

(2) 隨著熱處理溫度的升高，薄膜的成分發生變化，但場發射電流密度基本不變。

(3) 隨著熱處理溫度的升高，光學帶隙呈增大趨勢；在熱處理溫度為300 ℃時，光學帶隙主要受DLC含量的影響，而熱處理溫度為350，400 ℃時，光學帶隙主要受TiO2相的影響；Ti-DLC薄膜的開啟場強與光學帶隙成正相關關系。