金屬膜場發射特性研究

王麗軍 郭媚媚 王小平

摘要：結合真空電子束氣相沉積（electron beam evaporation deposition，EBVD）和磁控濺射（magnetron spuRefing deposition，MSD）技術，分別在Al₂O₃陶瓷襯底上制備以Cu膜為發射層的單一Cu膜和Mo/Cu復合膜及Mo/Ni/Cu復合膜3種結構陰極薄膜。基于二極管場發射器件結構，研究了各樣品的場發射特性。利用場發射掃描電子顯微鏡（fleld emission scanning electronmicroscopy，FE-SEM）和能譜儀（energy dispersive spectrometry，EDS）對樣品表面形貌和成分進行分析。結果表明：Mo/Ni/Cu復合膜的閾值電場為3.3V·μm^-1;最大電流密度為63.0uA.cm^-2;比在相同條件下制備的單一Cu膜和Mo/Cu復合膜具有更好的場發射特性，表明金屬復合膜結構有效的改善了單一Cu膜的場發射性能。

關鍵詞：金屬復合膜;場發射;電子束氣相沉積

中圖分類號：TG146.1文獻標志碼：A

場發射，是指在外加電場作用下，使金屬或半導體等材料的表面勢壘高度降低，寬度變窄，固體中自由電子通過隧道效應穿透表面勢壘進入到真空的現象。利用場發射形式發射電子的冷陰極電子源，相比熱電子源-電子槍來講，具有啟動快、能耗低、易于集成小型化以及選材約束小等優點。冷陰極場發射除應用于冷陰極電子源器件外，還可應用于平板顯示器、微波放大器、X射線源、電子顯微鏡等領域。而且，近年來在以上各應用領域都已經有了較大的突破。

早期采用難熔金屬材料作場發射陰極材料，主要有W、Mo等，這些材料的機械性能好，熔點高，易于制成微尖錐形狀，有助于提高材料的場增強效果，進而提高場發射器件的發射效果。近年來，人們又開始研究由其它金屬（如Cu）以及金屬氧化物（如MoO3，WO₃，CuO制備成一維納米材料的場發射特性。

一維納米材料因其特殊的結構形貌，被視為是研制高性能場發射的重要候選材料。一般來講，金屬作為場發射陰極材料不僅可以保證電子傳輸的通暢，而且還有利于傳導電子發射時器件陰極上產生的熱量。

Cu是人類最早使用的金屬之一，具有較低電阻率、高導熱率、延展性好、穩定性好、儲量豐富、價格低廉和易加工的特性。且金屬發射材料的場發射機制比較清楚，制作技術也比較成熟。

本文采用真空電子束蒸發沉積（electron beamevaporation deposition，EBVD）和磁控濺射（magnetronsputtering deposition，MSD）技術分別在Al₂O₃陶瓷基底上制備出以Cu膜作為發射層的3種樣品：Cu膜、Mo/Cu復合膜以及Mo/Ni/Cu復合膜，并比較研究了其場發射性能。

1試驗

1.1基底預處理

為了獲得粗糙的表面形貌，提高基底與薄膜的結合力，本文首先使用HD2M 4S/4L型立式雙面研磨機對Al₂O₃陶瓷基底進行研磨處理，設置研磨機轉速和轉數分別為：30r·min^-1和3000r。將研磨過的陶瓷片用水洗凈后，放人燒杯中，倒入適量濃度為99.7%的酒精，燒杯平穩放人DL-720D型智能超聲波清洗儀中，超聲清洗20min后，取出陶瓷片吹干。

1.2 Cu膜樣品制備

將處理過的陶瓷片放人EBVD系統中，以高純度Cu為沉積靶，在Al₂O₃陶瓷基片上沉積Cu薄膜。在試驗中通過EBVD的晶振膜厚監控儀（filmthickness monitor，FTM-V）對所沉積的薄膜進行厚度控制。具體試驗工藝參數如表1所示。

1.3 Mo/Cu膜樣品制備

采用EBVD系統，以高純度Mo和高純Cu為沉積靶材，依次在陶瓷片上沉積Mo和Cu膜，制備出以Mo膜做襯底的Mo/Cu復合膜。表2列出了Mo/Cu復合膜具體的制備工藝參數。

1.4 Mo/Ni/Cu膜樣品制備

首先在EBVD系統中，以高純度Mo為沉積靶，在Al₂O₃陶瓷基片上沉積Mo膜;其次。將其放入MSD系統在Mo膜涂層上鍍一層Ni;最后，利用EBVD系統，在Mo/Ni復合膜上沉積高純度Cu膜，制備出Mo/Ni/Cu復合膜。具體試驗工藝參數見表3。

2 薄膜微結構研究及場發射試驗結果

2.1樣品形貌及成分分析

利用場發射掃描電子顯微鏡（field emissionscanning electron microscopy，FE-SEM）和能譜（energy dispersive spectrometry，EDS）測試手段對所制備的樣品表面形貌和結構成分進行了表征和分析。

圖1顯示了各種樣品在不同放大倍數下的FE-SEM圖。

圖1（a）和圖1（b）對應于不同放大倍數的Cu膜樣品，可以看出，該薄膜表面比較疏松，由較大的顆粒組成。圖1（c）和圖1（d）對應于Mo/Cu不同放大倍數的復合膜樣品，對比圖1（a）和圖1（b），其樣品表面顆粒比Cu膜樣品小。圖1（e）和圖1（f）對應于不同放大倍數的Mo/Ni/Cu復合膜樣品，可以看出，樣品表面形貌也由較小顆粒組成，且顆粒表面有較多的起伏，同時樣品表面具有多孔性，使樣品具有大的表面積。

圖2顯示了Mo/Ni/Cu復合膜樣品的EDS譜。EDS譜中出現了Mo、Ni、Cu特征峰，證明了所制備的樣品的確為Mo/Ni/Cu復合膜。EDS譜中還出現了Al的特征峰，應該來自于Al₂O₃陶瓷基體。

2.2 場發射性能分析

在室溫下，壓強為4x10^-4Pa的真空室中，分別以樣品薄膜作陰極，以涂有熒光膜和氧化銦-錫（ITO）的玻璃作陽極，用厚度為110μm的云母片作為絕緣隔離層將陰極和陽極平行隔離。采用數字安培計和高壓電源測量其場發射電流-電壓（I-V）對特性。并從記錄的I-V數據中獲得場發射電流密度與電場強度（J-E）曲線和福勒-諾德海姆（F-N）曲線。圖3顯示了場發射器件結構的示意圖。

對3種不同類型樣品進行大量的獨立重復試驗，發現各樣品的重復性都很好。

圖4給出了3種不同類型樣品對應的場發射J-E曲線。從圖4可以看出，樣品的J-E曲線均呈指數增長。閾值電場（Eth）定義為場發射電流密度為10uA·cm^-2時的電場。對于圖中Cu膜，Mo/Cu復合膜和Mo/Ni/Cu復合膜，相應的Eta分別為10.5，8.0和3.3V·μm^-1，Mo/Ni/Cu復合膜樣品的E_th最低。由J-E曲線可以看出，Mo/Ni/Cu復合膜樣品的場發射最大電流密度為63.0uA·cm^-2，Mo/Cu復合膜、Cu膜在同一電場下對應的電流密度值分別為1.3和0.5uA.cm^-2，也就是說電場強度為4.3V·μm^-1時，Mo/Ni/Cu復合膜樣品的電流密度是其他2個樣品的48和126倍。由此可知，Mo/Ni/Cu復合膜結構，使相應的樣品具有最佳的場發射性能。

圖5顯示了由圖4的試驗數據得出的各樣品薄膜的F-N曲線，可以看出ln（J/E²）與（1/E）之間在高電場區呈現一定的負斜率線性關系，而在低電場區則不呈現負斜率線性關系，這是由于樣品表面形貌不平整，即使在高真空條件下，也不可避免地會有少許氣體吸附在孔隙中，使得在低電場區間，隨著少許的氣體放電，從而發射電流中摻人離子電流成份，致使場發射曲線在低場區不符合F-N場發射理論。但隨著外加電場增強而進入高電場后，氣體放電結束，發射電流基本都是電子發射引起的，因此樣品的F-N曲線在高場區呈現的規律與F-N場發射理論相符合。在各種類型納米薄膜場發射陰極材料中也經常出現類似的情況。

試驗結果表明，以Cu膜為發射層的金屬復合膜結構對改善單一Cu膜的場發射特性有明顯影響，即Mo/Ni/Cu復合膜的場發射性能優于Mo/Cu復合膜及Cu膜的。原因是：1）Mo/Ni/Cu復合膜樣品具有更大的表面積（見圖1e和圖1f），對比Mo/Cu復合膜和Cu膜可以看出隨著中間緩沖層Ni的加人，使顆粒分離，呈現多孔性，增大表面積，從而增加電子的發射點數量，因此其場發射性能會更優;2）Cu，Ni和Mo的功函數為4.65，4.60和4.37eV，3種金屬的功函數比較接近，在Mo層和Ni層之間，以及Ni層和Cu層之間更易于形成良好的歐姆接觸，因此緩沖層Ni的加入更好地降低各層之間的表面勢壘，甚至可能存在從一種金屬層到另一種金屬層的內電場發射現象，這樣為電子在各層間的輸運提供了通道，更有利于電子在各層膜間的輸運，進而為最后的發射層Cu膜提供了更為充足的電子。

3結論

將EBVD和MSD鍍膜技術相結合，在Al₂O₃陶瓷襯底上制備了一系列以Cu膜為發射層的單一Cu膜和Mo/Cu復合膜及Mo/Ni/Cu復合膜3種結構陰極薄膜。通過場發射性能檢測分析發現：與單一Cu膜相比，Mo/Cu復合膜閾值電場從10.5V·μm^-1降至8.0V·μm^-1，而Mo/Ni/Cu膜是在Mo/Cu復合膜中間加入緩沖層Ni，其閾值電場從8.0V·μm^-1降至3.3V·μm^-1。在電場為4.3V·μm^-1時，Cu膜、Mo/Cu復合膜和Mo/Ni/Cu復合膜的電流密度為0.5，1.3和63.0uA·cm^-2。結果表明，以Cu膜為發射層的金屬復合膜結構有效的改善了單一Cu膜的場發射性能，且這3種結構的場發射性能從優到劣依次是Mo/Ni/Cu復合膜、Mo/Cu復合膜、Cu膜。