一種類金剛石納米結構及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種類金剛石納米結構及其制備方法。本發明采用物理氣相沉積方法在納米孔模板中沉積形成類金剛石納米纖維,隨后對納米孔模板進行化學刻蝕,從而暴露出類金剛石納米纖維的頂端;隨著納米孔模板在化學刻蝕溶液中繼續溶解,類金剛石納米纖維以自發的方式彎曲,并緊密編織形成一層抗蝕掩膜,阻止納米孔模板的進一步溶解;將表面覆蓋有抗蝕掩膜的納米復合結構放置在靜電場中,抗蝕掩膜將在靜電場力作用下脫離開表面,并在每一條類金剛石納米纖維的頂端形成多條的類金剛石納米須。采用上述方法制備的類金剛石納米結構適合于在真空微電子學器件中用作場致電子發射材料。
【專利說明】
一種類金剛石納米結構及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及納米結構制備技術,具體涉及一種類金剛石納米結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]類金剛石(diamond-like carbon,DLC)是一種sp3鍵含量較高的亞穩態長程無序無定形碳(amorphous carbon,a_C)材料,具有高硬度、高熱導率、低介電常數、寬帶隙、高透光性、化學惰性和生物相容性等優異性能,可用作光學窗口、磁性存儲器、汽車部件、生物醫學涂層、微機電系統裝置(micro-electromechanical devices,MEMS)等的保護涂層,在航空航天、機械、電子、光學、生物醫學等領域都具有廣闊的應用前景。
[0003]自1971年首次制備出類金剛石薄膜起,經過四十多年的發展,DLC薄膜的制備技術已經日趨成熟。可以通過很多方法制備DLC材料,這些方法的共同點是,產生中等能量的碳離子或碳氫離子,并在基底上冷凝沉積為固態薄膜。優選的沉積工藝是產生每個碳原子能量約為10eV的碳離子束流,其能散較小,具有能量單一的高能粒子,并且非帶電(中性)粒子的數量最小。按照產生碳離子所采用的方法,可以將DLC薄膜的制備技術分為物理氣相沉積(physical vapor deposit1n,PVD)與化學氣相沉積(chemical vapour deposit1n,CVD)兩大類,其中包括但不限于離子束沉積、濺射沉積、陰極弧沉積、脈沖激光沉積、等離子體增強化學氣相沉積等。
[0004]磁過濾陰極真空弧沉積(filteredcathodic vacuum arc evaporat1n,FCVAE)是物理氣相沉積(PVD)技術中的一種,由于它可以制備出摩擦性能、機械性能、光學和電學特性優異的無氫DLC薄膜,因此在近幾十年來逐漸發展成為制備DLC薄膜的優選方法,得到了充分的研究開發和系統優化。FCVAE采用恒流或脈沖弧源放電,并包含將等離子體與中性顆粒分離的過濾彎管,使得等離子體沉積在基底上,并使中性顆粒沉積在管壁上。FCVAE的電弧電流可以采用直流或脈沖觸發方式。為了達到不同的過濾效率和沉積速率的要求,通過設計離子束運動軌道不同的彎曲方向、以及陰極和基底之間不同的屏蔽裝置,可以設計不同的過濾彎管結構,從而形成不同的FCVAE沉積裝置。
[0005]在FCVAE制備系統中,影響DLC薄膜組分和特性的幾組重要參數如下:
[0006](I)電弧電壓,最小電弧電流,燒蝕速率
[0007]電弧電壓取決于靶體碳材料的組分、陽極位置、外加磁場等,典型的弧壓范圍在15 V?50 V之間。穩定放電過程中的最小電弧電流為50A。石墨陰極靶材料的燒蝕速率通常在17?27yg/C范圍之間。燒蝕速率通常通過質量損失來測量,因而該質量損失也包含從陰極發射的中性顆粒的質量。靶體表面的外加磁場可以控制陰極弧斑的運動,從而影響中性顆粒的產生與等離子體發射的過程。
[0008](II)離化度,動能
[0009]對于磁過濾陰極真空弧沉積系統而言,幾乎所有蒸發的碳原子都被電離,離子動能約為20?40eV。在磁過濾高電流脈沖弧(pulsed high current arc,HCA)中,過濾彎管端點出射的離子動能約為25eV,而對于無過濾HCA,離子動能高達45eV。除過濾彎管和觸發電極的結構外,離子能量也取決于控制弧斑和引導等離子體運動的外加磁場的大小和方向。
[0010](III)中性顆粒
[0011]電弧放電過程中產生的來自于石墨陰極的中性顆粒會嵌入所沉積的DLC薄膜中,影響薄膜的質量。通過各種結構的過濾彎管可以使中性顆粒從碳離子中分離出去。
[0012]采用FCVAE制備的類金剛石材料的能帶結構取決于入射碳離子的能量、入射角度、基底溫度、以及沉積速率。若基底溫度較低,當碳離子能量上升到10eV左右時,Sp3C-C鍵含量上升到最大值,并且隨著離子能量的進一步上升而下降。同樣地,a-C薄膜的電阻率、折射率、光學帶隙、密度、彈性模量、硬度等特性與入射碳離子能量之間的關系也具有同樣的趨勢。上述關系成立的條件為薄膜沉積溫度小于400K。當溫度升高時,sp3鍵含量將在某一溫度范圍內顯著減小。因此最大SP3鍵含量與入射離子能量之間的關系受到基底溫度的影響。此外,有效入射離子能量也受到工作氣體(例如氬氣)流量大小和基底硬度的影響。
[0013]在采用類金剛石作為冷陰極場致電子發射材料的真空微電子學器件中,制備具有尖銳表面結構的類金剛石材料成為關鍵性突破技術。為了制備低維碳材料從而提高材料的場致發射增強因子,研究者做出了多種嘗試,例如:采用自上而下的刻蝕方法,例如反應離子刻蝕(reactive 1n etching,RIE)或等離子刻蝕;采用自底到頂的生長方法,例如采用多孔陽極氧化招(anodic aluminum oxide,ΑΑ0)模板的化學氣相沉積(chemical vapordeposit1n,CVD)法;以及采用刻蝕法制備不平整襯底表面生長具有尖銳結構的碳材料等。然而,盡管采用上述各種方法可以制備一維碳納米管(carbon nanotubes,CNT)以及超納晶金剛石(ultrananocrystalline diamond,UNCD)材料,但尚未有研究和報道公開過尺度在納米量級的類金剛石結構的制備方法。本發明將公開這種類金剛石納米結構的制備技術,以解決該領域的關鍵問題。
【發明內容】
[0014]針對以上現有技術存在的問題,本發明提出了一種類金剛石納米結構,以及采用磁過濾陰極真空弧沉積系統和模板法制備類金剛石納米結構的制備方法。
[0015]本發明的一個目的在于提出一種類金剛石納米結構。
[0016]本發明的類金剛石結構包括類金剛石納米纖維陣列和類金剛石納米須。
[0017]本發明的類金剛石納米纖維陣列包括:納米孔模板,所述納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;類金剛石納米纖維,所述類金剛石納米纖維為采用物理氣相沉積技術在每一個納米通孔中沉積形成的,并且類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致。
[0018]納米孔模板是陽極氧化鋁模板,納米通孔的直徑在280?320nm之間。
[0019]物理氣相沉積技術為磁過濾陰極真空弧沉積方法。
[0020]類金剛石納米纖維陣列包括類金剛石納米纖維的頂端,所述類金剛石納米纖維的頂端是通過將納米孔模板和類金剛石納米纖維所組成的納米復合結構浸泡在化學刻蝕溶液中,使部分納米孔模板溶解從而暴露出來的。
[0021]本發明的類金剛石納米須陣列包括:納米孔模板,所述納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;類金剛石納米纖維,所述類金剛石納米纖維為采用物理氣相沉積技術在每一個納米通孔中沉積形成的,并且類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致;類金剛石納米須,所述類金剛石納米須分布在類金剛石納米纖維的頂端,并且每一條類金剛石納米纖維的頂端分布有多條的類金剛石納米須。
[0022]納米孔模板是陽極氧化鋁模板,納米通孔的直徑在280?320nm之間。
[0023]物理氣相沉積技術為磁過濾陰極真空弧沉積方法。
[0024]類金剛石納米須為采用如下工藝步驟所獲得的:納米孔模板在化學刻蝕溶液中溶解,暴露出類金剛石納米纖維的頂端;納米孔模板在化學刻蝕溶液中繼續溶解,隨著納米孔模板的溶解,由于納米孔模板對柔軟的類金剛石納米纖維的支撐作用消失,因此類金剛石納米纖維以自發的方式彎曲,并緊密編織形成抗蝕掩膜,從而使納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面覆蓋一層抗蝕掩膜,阻止納米孔模板的進一步溶解;將表面覆蓋有由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜的納米復合結構放置在靜電場中,由于電荷積累效應,因此類金剛石納米纖維中的電子在靜電場力作用下累積到由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜的表面,當電場繼續增強以至于電子所受到的靜電場力足夠大時,由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜將在靜電場力作用下脫離開納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面,并且在每一條類金剛石納米纖維的頂端形成多條的類金剛石納米須。
[0025]本發明的另一個目的在于提供一種類金剛石納米結構的制備方法。
[0026]本發明的類金剛石納米纖維陣列的制備方法,包括以下步驟:
[0027]I)制備納米孔模板,納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;
[0028]2)采用物理氣相沉積系統、以納米孔模板為基底沉積類金剛石,物理氣相沉積系統中出射的碳離子從納米孔模板的納米通孔的底端入射至納米通孔中,在穿過納米通孔的過程中在納米通孔壁上凝聚,并形成連續封閉表面,從而在每一個納米通孔中沉積形成管狀的類金剛石納米纖維,類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致;
[0029]3)將納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構放入化學刻蝕溶液中,頂端的納米孔模板溶解,并暴露出類金剛石納米纖維的頂端,從而形成類金剛石納米纖維陣列。本發明的類金剛石納米須陣列的制備方法,包括以下步驟:
[0030]I)制備納米孔模板,納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;
[0031]2)采用物理氣相沉積系統、以納米孔模板為基底沉積類金剛石,物理氣相沉積系統中出射的碳離子從納米孔模板的納米通孔的底端入射至納米通孔中,在穿過納米通孔的過程中在納米通孔壁上凝聚,并形成連續封閉表面,從而在每一個納米通孔中沉積形成管狀的類金剛石納米纖維,類金剛石納米纖維的外表面納米孔模板的納米通孔的內表面一致;
[0032]3)將納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構放入化學刻蝕溶液中,頂端的納米孔模板溶解,并暴露出類金剛石納米纖維的頂端,從而形成類金剛石納米纖維陣列;
[0033]4)納米孔模板繼續在化學刻蝕溶液中進行化學刻蝕,隨著被化學刻蝕掉的納米孔模板深度變深,暴露出來的柔軟的類金剛石納米纖維逐漸以自發的方式彎曲,并緊密編織形成抗蝕掩膜,從而使納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面覆蓋一層抗蝕掩膜,阻止納米孔模板的進一步溶解;
[0034]5)將表面覆蓋有由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜的納米復合結構從化學刻蝕溶液中取出,放置在靜電場中,由于電荷積累效應,類金剛石納米纖維中的電子在靜電場力作用下累積到類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜的表面,當靜電場繼續增強以至于電子所受到的靜電場力足夠大時,由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜將在靜電場力作用下脫離開納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面,并且在每一條類金剛石納米纖維的頂端形成多條的納米須,從而形成類金剛石納米須陣列。
[0035]在步驟I)中,納米孔模板是采用兩步氧化法制備的陽極氧化鋁模板,納米孔模板中的納米通孔的直徑在280?320nm之間,納米通孔的尺寸對于形成類金剛石納米纖維是非常重要的,孔徑不能太小,從而可以使陰極弧源中出射的等離子體入射到納米通孔中,通過一段較長的距離后在孔壁上凝聚,并形成連續封閉表面。
[0036]在步驟2)中,所述物理氣相沉積系統為磁過濾真空陰極弧沉積系統,磁過濾真空陰極弧沉積系統沉積類金剛石納米纖維,系統采用高純石墨棒作為陰極,基底直流負向偏壓在15V?100V范圍內調節。優選地,納米孔模板的直流偏壓初始值為-100V?-90V,隨著沉積過程的進行,逐漸變化為-55V?-45V。初始的大偏壓是為了使碳離子順利地進入納米孔;隨著偏壓逐漸減小,入射碳離子的能量將減小到10eV左右,因此所形成的類金剛石納米結構中sp3含量由上到下逐漸增加,形成這樣的漸變結構有利于場致發射在類金剛石納米結構的尖端處發生。
[0037]在步驟2)后,為了在類金剛石納米纖維和場發射測量系統中的底電極之間形成良好穩定的歐姆接觸,在沉積了類金剛石納米纖維的納米孔模板的底面上沉積一層金屬薄膜作為電極。特別地,金屬薄膜為金屬鈦或金薄膜。更特別地,金屬鈦薄膜為采用機械式觸發的直流磁過濾真空陰極弧沉積裝置所沉積的,直流磁過濾真空陰極弧沉積裝置的陰極為高純鈦金屬靶。
[0038]在步驟3)中,化學刻蝕溶液采用酸性或堿性溶液。特別地,化學刻蝕溶液為飽和氫氧化鈉溶液或稀鹽酸溶液。
[0039]在步驟4)中,由于類金剛石納米纖維是以自發的方式彎曲的,當納米孔模板水平放置時,類金剛石納米纖維的傾斜取向是隨機的;當納米孔模板相對于水平面傾斜一個大于零度的角度放置時,則所形成的類金剛石納米纖維將在化學刻蝕過程中由于重力作用而向同一個方向傾斜倒伏。
[0040]在步驟5)中,靜電場為電場強度高于5X 16V m—1的靜電場。
[0041]在步驟5)中,類金剛石納米須的尖端指向同一個方向,該方向取決于抗蝕掩膜在重力與靜電場力的合力作用下脫離納米復合結構表面的運動方向。
[0042]本發明的優點:
[0043]本發明采用物理氣相沉積方法類金剛石納米制備的類金剛石材料質地均勻,以上述方法在納米孔模板中淀積形成的類金剛石納米纖維直徑分布均勾,在280?320nm之間,長度大于20μηι,具有大寬高比(high-aspect_rat1)特性,并且類金剛石材料中的石墨態團簇直徑為lnm,在無定形碳材料作為場致發射器件的優選范圍內,S卩0.2?1.1nm范圍內,適合于在真空微電子學器件中用作場致電子發射材料。
【附圖說明】
[0044]圖1為本發明的類金剛石納米結構的制備方法的一個實施例的流程圖,其中,圖1(a)為納米孔模板的剖面圖,圖1(b)為沉積類金剛石納米纖維的剖面圖,圖1(c)為沉積金屬鈦薄膜的剖面圖,圖1(d)為化學刻蝕剖面圖,圖1(e)為形成抗蝕掩膜的剖面圖,圖1(f)為抗蝕掩膜去除后得到的類金剛石納米須陣列的剖面圖;
[0045]圖2為根據本發明的類金剛石納米結構的制備方法得到的SEM圖像,其中,圖2(a)是高倍放大的類金剛石納米纖維的顯微圖像,圖2(b)是類金剛石納米纖維陣列一個邊緣的側視圖,圖2(c)是中央區域表面一束類金剛石納米纖維的俯視圖,圖2(d)是低倍放大的類金剛石納米纖維的俯視圖,圖2(e)是40,000倍放大的類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜的顯微細節圖,圖2(f)是出去除表面抗蝕掩膜后的類金剛石納米須的SEM圖像,圖2(g)是類金剛石納米纖維片段的側視圖,圖2(h)是施加靜電場將抗蝕掩膜去除過程的中間狀態圖;
[0046]圖3為根據本發明的類金剛石納米結構的制備方法得到的類金剛石納米結構的場致電子發射特性曲線圖,其中,圖3(a)為外加電場強度與發射電流密度的關系,圖3(b)為類金剛石納米纖維和納米須陣列的F-N曲線,其中直線為F-N理論曲線擬合高電場區域的擬合結果。
【具體實施方式】
[0047]接下來,將結合附圖更加完整地描述本發明,附圖中示出了本發明的實施例。在附圖中,為了清楚,結構或特征的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。應當明白,空間關系術語例如“頂端”、“底端”、“下面的”、“在.??之下,,、“上面的”、“在...之上”等,在這里是為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個結構或特征與其它結構或特征的關系。應當明白,除了圖中所示的取向以外,空間關系術語意圖還包括使用和操作中的結構或特征的不同取向。例如,如果附圖中的結構上下翻轉,然后,描述為“頂端”的結構或特征將取向為在其它結構或特征的“底端”。因此,示例性術語“頂端”和“底端”可包括頂和底兩個取向。結構可以另外地取向(旋轉90度、180度或其它取向)并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
[0048]如圖1所示,本實施例的類金剛石納米結構的制備方法,包括以下步驟:
[0049]I)采用兩步氧化法制備陽極氧化鋁納米孔模板作為納米孔模板I,納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔11,納米通孔的直徑為300nm,如圖1(a)所示。
[0050]2)將納米孔模板放入磁過濾陰極真空弧沉積系統中沉積,FCVAE系統采用高純(99.9 % )石墨棒作為陰極;脈沖觸發電源的觸發電壓為12kV;弧源電壓為直流55V;基底直流負向偏壓為50V;沉積腔中的初始真空度低于9.9 X 10—4Pa;工作氣體為高純氬氣,在沉積過程中的腔體壓強在3 X 10—2?3.5 X 10—2Pa范圍內浮動;類金剛石的沉積溫度均為室溫(25°C);磁過濾陰極真空弧沉積系統的陰極弧源出射等離子體,從納米孔模板的納米通孔的底端通過納米通孔,在孔壁上凝聚,并形成連續封閉表面,從而在每一個納米通孔11中形成管狀的類金剛石納米纖維2,類金剛石納米纖維的外表面納米孔模板的納米通孔的內表面一致,如圖1(b)所示。
[0051]3)為了在類金剛石納米纖維和場發射測量系統中的底電極之間形成良好穩定的歐姆接觸,在沉積了類金剛石納米纖維2的納米孔模板I的底面上沉積一層金屬鈦薄膜3,圖1(c)所示;金屬鈦薄膜采用機械式觸發的直流磁過濾陰極真空弧沉積裝置,陰極為高純鈦金屬革巴。
[0052]4)將在納米孔模板內沉積的類金剛石納米纖維在體積比為50%的稀鹽酸溶液中,經過17.5小時,頂端的納米孔模板溶解,并暴露出類金剛石納米纖維2的頂端,從而形成類金剛石納米纖維陣列,如圖1(d)所示。
[0053]5)納米孔模板繼續在稀鹽酸溶液中進行化學刻蝕,經過總時間大于18小時的化學刻蝕后,隨著被化學刻蝕掉的納米孔模板深度變深,暴露出來的類金剛石納米纖維變長,柔軟的類金剛石納米纖維逐漸以自發的方式彎曲,并緊密編織形成抗蝕掩膜4,從而使薄膜表面覆蓋一層抗蝕掩膜4,阻止納米孔模板的進一步溶解,如圖1 (e)所示。
[0054]6)將形成了抗蝕掩膜的納米孔模板從化學刻蝕溶液中取出,放置在靜電場中,由于電荷積累效應,類金剛石納米纖維中的電子在靜電場力作用下累積到類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜的表面,當電場繼續增強以至于電子所受到的靜電場力足夠大時,將抗蝕掩膜去除,在每根類金剛石納米纖維的頂端形成多條的類金剛石納米須5,從而形成類金剛石納米須陣列,如圖1(f)所示。
[0055]7)將所得到的類金剛石納米結構用抗蝕導電膠粘在硅片上,進行微觀表征和場發射測量。采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征類金剛石納米結構的形態。
[0056]圖2顯示了經過17.5小時化學刻蝕后暴露的類金剛石納米纖維的掃描電鏡圖像。圖2(a)是高倍放大的類金剛石納米纖維的顯微圖像,顯示出類金剛石納米纖維的直徑分布均勻,在300nm左右,與納米孔模板的內壁孔徑相一致。圖2(b)是類金剛石納米纖維陣列一個邊緣的側視圖,其中的類金剛石納米纖維向同一個角度傾斜,類金剛石納米纖維的平均長度大于20μπι。圖2(c)是中央區域表面一束類金剛石納米纖維的俯視圖。圖2(d)是低倍放大的類金剛石納米纖維的俯視圖,各束類金剛石納米纖維的傾角略有不同,從而形成類金剛石納米纖維組成的脊狀和谷狀區域的起伏表面。因為類金剛石納米纖維的傾斜是自發過程,當納米孔模板水平放置時,類金剛石納米纖維的傾斜取向是隨機的。如果將納米孔模板相對于水平面傾斜一個小角度放置,則所形成的類金剛石納米纖維將在化學刻蝕過程中由于重力作用而向同一個方向傾斜倒伏,如圖2(a)所示。
[0057]為了進一步暴露類金剛石納米纖維,將納米孔模板在稀鹽酸溶液中浸泡18小時以上。隨著納米孔模板刻蝕的緩慢進行,類金剛石納米纖維在重力作用下以自發的方式彎曲,并緊密編織形成抗蝕掩膜,從而使薄膜表面覆蓋一層抗蝕掩膜,阻止了納米孔模板在化學刻蝕溶液中完全溶解。圖2(e)是40,000倍放大的類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜的顯微細節,顯示出緊密編織的類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜,抗蝕掩膜上有一條裂縫,從裂縫處可以看到抗蝕掩膜表面下是類金剛石納米纖維和納米孔模板。將納米孔模板放置于強電場中,由于電荷積累效應,類金剛石納米纖維中的電子在靜電場力作用下累積到類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜表面,當電場繼續增強以至于電荷所受到的靜電場力足夠大時,即可將該層抗蝕掩膜去除,從而形成類金剛石納米須陣列。圖2(f)顯示出去除表面抗蝕掩膜后的類金剛石納米須的SEM圖像,類金剛石納米須的尖端取向一致,其方向取決于類金剛石納米纖維形成的抗蝕掩膜在重力和靜電場力的合力下脫離類金剛石納米纖維表面的運動方向。圖2(g)所示為類金剛石納米纖維片段的側視圖,由圖中可以看出,納米孔模板的納米孔中的類金剛石納米纖維總長度約為6μπι。類金剛石納米須的尖端指向同一個方向,該方向取決于DLC絕緣表面由重力與靜電場力的合力拉出的運動方向。圖2(h)示出施加強電場將抗蝕掩膜去除過程的中間狀態,由圖中可以看出,類金剛石納米結構形成的抗蝕掩膜的致密表面由于外力作用而掀開。
[0058]類金剛石納米結構的場致電子發射特性采用平行板結構在室溫下測量。測量過程中真空度為I X 10—7Pa以下,陰極和陽極間距由場發射區域外的墊片調節,間距固定為300μm,陰極測試區域面積為1mm2,通過電腦控制直流電壓掃描過程,并在陽極端口收集發射電流。
[0059]類金剛石納米結構陣列在場電子發射測量中的電流密度J(mAcm—2)與外加電場強度E (νμπΓ1)的關系如圖3 (a)所示。物理量J定義為Ι/S,其中I是總發射電流,S是有效發射區域。物理量E定義為V/d,其中V是施加在陰極和陽極之間的電壓,d是陽極和發射源表面之間的空間距離。與其相對應的福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim,FN)曲線如圖3(b)所示,圖中實線表示在高電場區域用FN理論擬合電流密度曲線的理論擬合結果,證實了測量到的電流是由場致電子發射機制所引起的。FN曲線在低電場區域的非線性是由于在該區域內,發射電流隨著外加電場的增加由熱電子發射轉變為場電子發射所導致的。由圖中所示,類金剛石納米纖維和納米須發射體的開啟電場Eo(當電流密度為ΙΟμΑ cm—2時的外加電場強度值)為1.60?I ?νμπΓ1,閾值電場Eth(當電流密度達到1mA cm2時的電場強度)為2.98?3.56Vym—1。這些結果表明,本發明的類金剛石納米結構作為發射源在常規場致電子發射過程下工作。
[0060]最后需要注意的是,盡管本文中描述了類金剛石納米結構制備和應用的實施例,但是應該理解,本領域技術人員可以想到各種替換和修改,他們都將落入本發明公開的構思的精神和范圍內。更特別地,在本發明公開、附圖、以及所附權利要求的范圍內,可以對主題的納米結構的制備條件進行各種修改和改變。除了制備條件的修改和改變以外,本發明公開的納米結構的應用領域的改變對于本領域技術人員來說也是顯而易見的。因此,本發明不應局限于實施例所公開的內容,本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1.一種類金剛石納米結構,其特征在于,所述類金剛石納米結構是一種類金剛石納米纖維陣列,所述類金剛石納米纖維陣列包括:納米孔模板,所述納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;類金剛石納米纖維,所述類金剛石納米纖維為采用物理氣相沉積技術在每一個納米通孔中沉積形成的,并且類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致。2.一種類金剛石納米結構,其特征在于,所述類金剛石納米結構是一種類金剛石納米須陣列,所述類金剛石納米須陣列包括:納米孔模板,所述納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔;類金剛石納米纖維,所述類金剛石納米纖維為采用物理氣相沉積技術在每一個納米通孔中沉積形成的,并且類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致;類金剛石納米須,所述類金剛石納米須分布在類金剛石納米纖維的頂端,并且每一條類金剛石納米纖維的頂端分布有多條的類金剛石納米須。3.如權利要求1或2所述的類金剛石納米結構,其特征在于,所述納米孔模板是陽極氧化鋁模板,所述納米通孔的直徑在280?320nm之間。4.如權利要求1或2所述的類金剛石納米結構,其特征在于,所述物理氣相沉積技術為磁過濾陰極真空弧沉積方法。5.如權利要求1所述的類金剛石納米結構,其特征在于,所述類金剛石納米纖維陣列包括類金剛石納米纖維的頂端,所述類金剛石納米纖維的頂端是通過將納米孔模板和類金剛石納米纖維所組成的納米復合結構浸泡在化學刻蝕溶液中,使部分納米孔模板溶解從而暴露出來的。6.—種類金剛石納米結構的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括以下步驟: 1)制備納米孔模板,納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔; 2)采用物理氣相沉積系統、以所述納米孔模板為基底沉積類金剛石,所述物理氣相沉積系統中出射的碳離子從納米孔模板的納米通孔的底端入射至納米通孔中,在納米通孔壁上凝聚并形成連續封閉表面,從而在每一個納米通孔中沉積形成管狀的類金剛石納米纖維,類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致; 3)將納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構放入化學刻蝕溶液中,頂端的納米孔模板溶解,并暴露出類金剛石納米纖維的頂端,從而形成類金剛石納米纖維陣列。7.—種類金剛石納米結構的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括以下步驟: 1)制備納米孔模板,納米孔模板具有多個周期性均勻分布的納米通孔; 2)采用物理氣相沉積系統、以所述納米孔模板為基底沉積類金剛石,所述物理氣相沉積系統中出射的碳離子從納米孔模板的納米通孔的底端入射至納米通孔中,在納米通孔壁上凝聚并形成連續封閉表面,從而在每一個納米通孔中沉積形成管狀的類金剛石納米纖維,類金剛石納米纖維的外表面與納米孔模板的納米通孔的內表面一致; 3)將納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構放入化學刻蝕溶液中,頂端的納米孔模板溶解,并暴露出類金剛石納米纖維的頂端,從而形成類金剛石納米纖維陣列; 4)隨著納米孔模板在化學刻蝕溶液中繼續溶解,類金剛石納米纖維以自發的方式彎曲,并緊密編織形成掩膜,從而使納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面覆蓋一層抗蝕掩膜,阻止納米孔模板的進一步溶解; 5)將表面覆蓋有由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜的納米復合結構從化學刻蝕溶液中取出,放置在靜電場中,由類金剛石納米纖維編織形成的抗蝕掩膜將在靜電場力作用下脫離開納米孔模板和類金剛石納米纖維組成的納米復合結構的表面,并且在每一條類金剛石納米纖維的頂端形成多條的類金剛石納米須,從而形成類金剛石納米須陣列。8.如權利要求6或7所述的制備方法,其特征在于,在步驟I)中,所述納米孔模板是陽極氧化鋁模板,所述納米通孔的直徑在280?320nm之間。9.如權利要求6或7所述的制備方法,其特征在于,在步驟2)中,所述物理氣相沉積系統為磁過濾真空陰極弧沉積系統,所述磁過濾真空陰極弧沉積系統采用高純石墨棒作為陰極,基底直流負向偏壓在15V?100V范圍內調節。10.如權利要求6或7所述的制備方法,其特征在于,在步驟2)后,在沉積了類金剛石納米纖維的納米孔模板的底面上沉積一層金屬薄膜作為電極。11.如權利要求7所述的制備方法,其特征在于,在步驟5)中,所述靜電場為電場強度高于5 X 16V m—1的靜電場。
【文檔編號】B82Y40/00GK106048524SQ201610543573
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】李韞慧, 顏學慶
【申請人】北京大學