金属膜场发射特性研究

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　　摘要：结合真空电子束气相沉积（electron beam evaporation deposition，EBVD）和磁控溅射（magnetron spuRefing deposition，MSD）技术，分别在Al2O3陶瓷衬底上制备以Cu膜为发射层的单一Cu膜和Mo/Cu复合膜及Mo/Ni/Cu复合膜3种结构阴极薄膜。基于二极管场发射器件结构，研究了各样品的场发射特性。利用场发射扫描电子显微镜（fleld emission scanning electronmicroscopy，FE-SEM）和能谱仪（energy dispersive spectrometry，EDS）对样品表面形貌和成分进行分析。结果表明：Mo/Ni/Cu复合膜的阈值电场为3.3V·μm-1;最大电流密度为63.0uA.cm-2;比在相同条件下制备的单一Cu膜和Mo/Cu复合膜具有更好的场发射特性，表明金属复合膜结构有效的改善了单一Cu膜的场发射性能。
　　关键词：金属复合膜;场发射;电子束气相沉积
　　中图分类号：TG146.1文献标志码：A
　　场发射，是指在外加电场作用下，使金属或半导体等材料的表面势垒高度降低，宽度变窄，固体中自由电子通过隧道效应穿透表面势垒进入到真空的现象。利用场发射形式发射电子的冷阴极电子源，相比热电子源-电子枪来讲，具有启动快、能耗低、易于集成小型化以及选材约束小等优点。冷阴极场发射除应用于冷阴极电子源器件外，还可应用于平板显示器、微波放大器、X射线源、电子显微镜等领域。而且，近年来在以上各应用领域都已经有了较大的突破。
　　早期采用难熔金属材料作场发射阴极材料，主要有W、Mo等，这些材料的机械性能好，熔点高，易于制成微尖锥形状，有助于提高材料的场增强效果，进而提高场发射器件的发射效果。近年来，人们又开始研究由其它金属（如Cu）以及金属氧化物（如MoO3，WO3，CuO制备成一维纳米材料的场发射特性。
　　一维纳米材料因其特殊的结构形貌，被视为是研制高性能场发射的重要候选材料。一般来讲，金属作为场发射阴极材料不仅可以保证电子传输的通畅，而且还有利于传导电子发射时器件阴极上产生的热量。
　　Cu是人类最早使用的金属之一，具有较低电阻率、高导热率、延展性好、稳定性好、储量丰富、价格低廉和易加工的特性。且金属发射材料的场发射机制比较清楚，制作技术也比较成熟。
　　本文采用真空电子束蒸发沉积（electron beamevaporation deposition，EBVD）和磁控溅射（magnetronsputtering deposition，MSD）技术分别在Al2O3陶瓷基底上制备出以Cu膜作为发射层的3种样品：Cu膜、Mo/Cu复合膜以及Mo/Ni/Cu复合膜，并比较研究了其场发射性能。
　　1试验
　　1.1基底预处理
　　为了获得粗糙的表面形貌，提高基底与薄膜的结合力，本文首先使用HD2M 4S/4L型立式双面研磨机对Al2O3陶瓷基底进行研磨处理，设置研磨机转速和转数分别为：30r·min-1和3000r。将研磨过的陶瓷片用水洗净后，放人烧杯中，倒入适量浓度为99.7%的酒精，烧杯平稳放人DL-720D型智能超声波清洗仪中，超声清洗20min后，取出陶瓷片吹干。
　　1.2 Cu膜样品制备
　　将处理过的陶瓷片放人EBVD系统中，以高纯度Cu为沉积靶，在Al2O3陶瓷基片上沉积Cu薄膜。在试验中通过EBVD的晶振膜厚监控仪（filmthickness monitor，FTM-V）对所沉积的薄膜进行厚度控制。具体试验工艺参数如表1所示。
　　1.3 Mo/Cu膜样品制备
　　采用EBVD系统，以高纯度Mo和高纯Cu为沉积靶材，依次在陶瓷片上沉积Mo和Cu膜，制备出以Mo膜做衬底的Mo/Cu复合膜。表2列出了Mo/Cu复合膜具体的制备工艺参数。
　　1.4 Mo/Ni/Cu膜样品制备
　　首先在EBVD系统中，以高纯度Mo为沉积靶，在Al2O3陶瓷基片上沉积Mo膜;其次。将其放入MSD系统在Mo膜涂层上镀一层Ni;最后，利用EBVD系统，在Mo/Ni复合膜上沉积高纯度Cu膜，制备出Mo/Ni/Cu复合膜。具体试验工艺参数见表3。
　　2 薄膜微结构研究及场发射试验结果
　　2.1样品形貌及成分分析
　　利用场发射扫描电子显微镜（field emissionscanning electron microscopy，FE-SEM）和能譜（energy dispersive spectrometry，EDS）测试手段对所制备的样品表面形貌和结构成分进行了表征和分析。
　　图1显示了各种样品在不同放大倍数下的FE-SEM图。
　　图1（a）和图1（b）对应于不同放大倍数的Cu膜样品，可以看出，该薄膜表面比较疏松，由较大的颗粒组成。图1（c）和图1（d）对应于Mo/Cu不同放大倍数的复合膜样品，对比图1（a）和图1（b），其样品表面颗粒比Cu膜样品小。图1（e）和图1（f）对应于不同放大倍数的Mo/Ni/Cu复合膜样品，可以看出，样品表面形貌也由较小颗粒组成，且颗粒表面有较多的起伏，同时样品表面具有多孔性，使样品具有大的表面积。
　　图2显示了Mo/Ni/Cu复合膜样品的EDS谱。EDS谱中出现了Mo、Ni、Cu特征峰，证明了所制备的样品的确为Mo/Ni/Cu复合膜。EDS谱中还出现了Al的特征峰，应该来自于Al2O3陶瓷基体。 　　2.2 场发射性能分析
　　在室温下，压强为4x10-4Pa的真空室中，分别以样品薄膜作阴极，以涂有荧光膜和氧化铟-锡（ITO）的玻璃作阳极，用厚度为110μm的云母片作为绝缘隔离层将阴极和阳极平行隔离。采用数字安培计和高压电源测量其场发射电流-电压（I-V）对特性。并从记录的I-V数据中获得场发射电流密度与电场强度（J-E）曲线和福勒-诺德海姆（F-N）曲线。图3显示了场发射器件结构的示意图。
　　对3种不同类型样品进行大量的独立重复试验，发现各样品的重复性都很好。
　　图4给出了3种不同类型样品对应的场发射J-E曲线。从图4可以看出，样品的J-E曲线均呈指数增长。阈值电场（Eth）定义为场发射电流密度为10uA·cm-2时的电场。对于图中Cu膜，Mo/Cu复合膜和Mo/Ni/Cu复合膜，相应的Eta分别为10.5，8.0和3.3V·μm-1，Mo/Ni/Cu复合膜样品的Eth最低。由J-E曲线可以看出，Mo/Ni/Cu复合膜样品的场发射最大电流密度为63.0uA·cm-2，Mo/Cu复合膜、Cu膜在同一电场下对应的电流密度值分别为1.3和0.5uA.cm-2，也就是说电场强度为4.3V·μm-1时，Mo/Ni/Cu复合膜样品的电流密度是其他2个样品的48和126倍。由此可知，Mo/Ni/Cu复合膜结构，使相应的样品具有最佳的场发射性能。
　　图5显示了由图4的试验数据得出的各样品薄膜的F-N曲线，可以看出ln（J/E2）与（1/E）之间在高电场区呈现一定的负斜率线性关系，而在低电场区则不呈现负斜率线性关系，这是由于样品表面形貌不平整，即使在高真空条件下，也不可避免地会有少许气体吸附在孔隙中，使得在低电场区间，随着少许的气体放电，从而发射电流中掺人离子电流成份，致使场发射曲线在低场区不符合F-N场发射理论。但随着外加电场增强而进入高电场后，气体放电结束，发射电流基本都是电子发射引起的，因此样品的F-N曲线在高场区呈现的规律与F-N场发射理论相符合。在各种类型纳米薄膜场发射阴极材料中也经常出现类似的情况。
　　试验结果表明，以Cu膜为发射层的金属复合膜结构对改善单一Cu膜的场发射特性有明显影响，即Mo/Ni/Cu复合膜的场发射性能优于Mo/Cu复合膜及Cu膜的。原因是：1）Mo/Ni/Cu复合膜样品具有更大的表面积（见图1e和图1f），对比Mo/Cu复合膜和Cu膜可以看出随着中间缓冲层Ni的加人，使颗粒分离，呈现多孔性，增大表面积，从而增加电子的发射点数量，因此其场发射性能会更优;2）Cu，Ni和Mo的功函数为4.65，4.60和4.37eV，3种金属的功函数比较接近，在Mo层和Ni层之间，以及Ni层和Cu层之间更易于形成良好的欧姆接触，因此缓冲层Ni的加入更好地降低各层之间的表面势垒，甚至可能存在从一种金属层到另一种金属层的内电场发射现象，这样为电子在各层间的输运提供了通道，更有利于电子在各层膜间的输运，进而为最后的发射层Cu膜提供了更为充足的电子。
　　3结论
　　将EBVD和MSD镀膜技术相结合，在Al2O3陶瓷衬底上制备了一系列以Cu膜为发射层的单一Cu膜和Mo/Cu复合膜及Mo/Ni/Cu复合膜3种结构阴極薄膜。通过场发射性能检测分析发现：与单一Cu膜相比，Mo/Cu复合膜阈值电场从10.5V·μm-1降至8.0V·μm-1，而Mo/Ni/Cu膜是在Mo/Cu复合膜中间加入缓冲层Ni，其阈值电场从8.0V·μm-1降至3.3V·μm-1。在电场为4.3V·μm-1时，Cu膜、Mo/Cu复合膜和Mo/Ni/Cu复合膜的电流密度为0.5，1.3和63.0uA·cm-2。结果表明，以Cu膜为发射层的金属复合膜结构有效的改善了单一Cu膜的场发射性能，且这3种结构的场发射性能从优到劣依次是Mo/Ni/Cu复合膜、Mo/Cu复合膜、Cu膜。
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