纳米金刚石半导体薄膜传感器的研究与模拟毕业设计.docx
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纳米金刚石半导体薄膜传感器的研究与模拟毕业设计
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
纳米金刚石半导体薄膜传感器的研究与模拟
系(部)名称:
电子与信息工程系
专业:
测控技术与仪器学号:
20060239
北方民族大学教务处制
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日期:
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日期:
年月日
摘要
金刚石具有很强的抗辐射、耐腐蚀性能,是能在高温下使用的新型宽能带隙半导体材料,被誉为发展前景十分广阔的第三代半导体材料。
因此,金刚石薄膜可制成耐热、耐冲击、耐腐蚀、抗辐射、灵敏度高的压力传感器件。
本论文根据市场对场致发射材料的需求,在纳米金刚石粉体中掺入纳米石墨粉体制成纳米金刚石浆料,纳米金刚石作为微尖,引入石墨作为导电晶界。
用纳米金刚石作为发射体,纳米石墨作为导电媒质,印刷制备场发射薄膜。
为印刷制备大面积的,具有稳定均匀的场发射性能的纳米金刚石薄膜,研究纳米金刚石材料超声分散和机械分散方法及浆料的配制新工艺,实验得出浆料中纳米石墨、纳米金刚石、乙基纤维素最佳配比,使纳米金刚石微尖密度合理、分布均匀。
为了既能使薄膜表的制浆剂能充分挥发暴露出纳米金刚石微尖,又能使纳米金刚石薄膜牢固地粘结在衬底上,研究了纳米金刚石薄膜的烧结工艺,其最高温度为多少效果最好,建立纳米金刚石薄膜场致发射模型,测试分析了纳米金刚石薄膜的场致发射特性。
利用纳米金刚石薄膜的场致发射特性设计了一个压力传感器,并用MATLAB模拟分析纳米金刚石薄膜压力传感器的工作原理。
关键词:
纳米金刚石,薄膜,场致发射,压力传感器
ABSTRACT
Thediamondhasstrongresistradiation,corrosionresistance,isusedinhightemperatureofthenewbandgapwidthofsemiconductormaterial,knownasthedevelopmentprospectsofthethirdgenerationofsemiconductormaterials.Therefore,thediamondfilmcanbemadeintoheat,impactresistance,corrosionresistance,radiation,highsensitivityofpressuresensor.
Thispaperaccordingtomarketdemandfield-emissionmaterialsinnanodiamondpowders,addingnanographitepowdersize,nanotubesmadenanodiamonddiamond,asthesharpasconductivegraphitegrain.Usingnanometerdiamondasprojectile,nanoconductivemedium,printinggraphiteaspreparationoffieldemissionfilm.Thepreparationforprinting,stableareaoffieldemissionperformanceofuniformdiamondthinfilms,nanometermaterialnanometer-sizediamondultrasonicdispersingandmechanicalmethodandthepastemadedispersednewcraft,experimentofnanographite,nanosizediamondandethylcellulose,makethebestproportionofdiamondmicronanotip,reasonabledistributiondensity.Tomakefilmofpulpingagentcanwatchvolatileexposednanodiamondfine,nanotipdiamondfilmbinderfirmlyinthesubstrate,thestudyofdiamondfilm,thehighesttemperaturesinteringprocess,howtobestnanometerdiamondfilmfield-emissionmodeltestingandanalysis,thediamondfilmfield-emissioncharacteristics.Usingnanometerdiamondfilmfield-emissioncharacteristicsdesigningapressuresensor,withMATLABsimulationanalysisofnanodiamondfilmpressuresensorprincipleofwork.
KEYWORDS:
nano,film,diamondfield-emission,pressuresensor
前言
近年来,国际上以金刚石薄膜以及称之为类金刚石薄膜DLC等一类特殊功能材料的制作方法和工艺及其场发射特性的研究工作被广泛开展,其中纳米金刚石薄膜成为重要的研究热点之一。
利用化学气相沉积(CVD)的方法合成金刚石膜类似天然金刚石具有高硬度、高导热率、高电阻率等优异的物理化学性质,尤其金刚石具有的宽禁带、高载流子迁移率、低介电常数、高导热率、高击穿电压及其它性质,因此利用金刚石薄膜制备的半导体器件可以在高于600℃温度下正常工作,作为耐腐蚀、抗辐射、防化学腐蚀的器件可以在宇宙飞船、原子反应堆及恶劣环境下工作[1-4]。
金刚石是一种能在大气中稳定保持负电亲和势的材料,因此被普遍认为是一种出色的场发射材料[5-17]。
许多科学工作者对各种方法制备得金刚石材料的场发射性能进行了研究,使得基于金刚石材料的场发射阴极有了很大的发展。
如B.Baral等人[18]在1997年制备的CVD多晶金刚石材料的薄膜,经掺硼和氢处理后在15v/µm的电场强度作用下发射电流密度达到10µA/cm²。
到2004年,Li等人在硅片上用CVD法生长出掺氮金刚石薄膜,其场发射阈值达4v/µm[19]。
冯涛等人采用真空磁过滤弧沉积法制备的类金刚石薄膜的场发射阈值电场达到2.1v/µm,14.3v/µm的电场下电流密度为1.23mA/cm²[20]。
纳米结构的金刚石材料的场发射性能具有极大的发展潜力。
S.C.Wang等人用微波CVD法制备了晶粒尺寸为15-20nm的纳米金刚石薄膜,其发射阈值为2.2v/µm,6.4v/µm的电场下电流密度高达720µA/cm²[21]。
绍乐喜等人将爆炸法制备出的纳米金刚石粉涂覆于硅片上作为场发射阴极材料,其开启电压为3.2v/µm,最大电流密度能达到130µA/cm²[22]。
J.L.Davidson等人用研究制备了纳米结构的金刚石材料的显示器[23]。
在材料结构中引入可导电的晶界有助于提高材料的导电性。
研究表明,金刚石材料的晶粒越小,其场发射性能越好。
到目前为止,在几百纳米以下的尺度范围内,纳米金刚石薄膜能在更低的电场作用下获得比一般金刚石薄膜更均匀更稳定的发射电流,纳米金刚石薄膜具有更优良的发射特性已经被广泛证实,从金刚石材料中得到的最好的场致发射是来自于纳米金刚石材料[22-36]。
获得高质量发射性能的纳米金刚石薄膜以用作场致电子发射材料是目前研究的热点之一。
目前国际上和国内对纳米金刚石薄膜的研究
主要集中在采用各种工艺方法制备和获得纳米金刚石薄膜上。
这其中,由于低气压下CVD方法,较之早期的高温高压制备方法,具有清洁可靠,可沉积,高质量的薄膜等众多优点而成为制备金刚石薄膜的主流工艺方法,包括热丝法MPCVD法,射频放电法,等离子体炬法等。
但是所有的生长方法都不能制备大面积均匀的纳米金刚石薄膜,为了得到大电流输出的微波电子源,我们采用低成本的丝网印刷方法在玻璃、不锈钢和石墨衬底上制备大面积均匀的纳米金刚石薄膜,研究大面积均匀的纳米金刚石薄膜的场发射特性。
本课题研究的对象是怎样制作纳米金刚石薄膜和制作纳米金刚石薄膜所采用的一些烧结和后处理工艺流程,以及所制作的纳米金刚石薄膜的优异的电子场发射性。
同时,我们还将根据纳米金刚石薄膜的优异的电学特性来设计一个传感器。
本研究采用纳米金刚石作为微尖,引入石墨作为导电晶界。
用纳米金刚石作为发射体,纳米石墨作为导电媒质,制作了场发射薄膜。
研究了该薄膜的制备工艺,得到了场致发射性能良好的优化工艺条件。
建立了纳米金刚石薄膜场致发射模型,分析了纳米金刚石薄膜的场致发射特性,并在此研究基础上实际应用纳米金刚石薄膜的优异特性来设计一传感器。
第一章金刚石薄膜的特性其在场致发射领域的应用
纳米是研究尺寸在01~100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术,而纳米金刚石薄膜制作工艺技术的发展和普遍化,使得电子制作工艺上掀起了一场革命,为一些电子器件功能的提升和完善提供拉一个机遇,其不仅为电子制作提供了优良的敏感材料,例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等,而且为提供了许多新型的方法。
随着材料纳米电子学的发展,金刚石作为一种特殊功能材料其优良的物理,化学特性越来越被人们所认识,这使得金刚石材料在机械,电学,光学等多个领域有着宽广的应用范围。
特别是纳米金刚石薄膜材料很好的稳定性使得它成为一种比较理想,有前途的场致电子发射阴极材料。
1.1场致发射与冷阴极
1928年Fowler-Nordheim基于量子力学的隧道效应理论推导出了场致电子发射的基本公式即F-N公式为场致电子发射的研究奠定了理论基础。
场致电子发射的过程与传统的以提高物体的温度给予物体内部电子以附加的能量而导致电子发射的热电子发射机理是完全不同的。
所谓场致发射是基于电子的量子隧穿效应,通过导体表面的强电场(即所谓的提拉电场)使导体表面的势垒降低变窄从而使电子发射出来的过程如图1-1所示。
其中WL为原势垒,WF为加电场后的势垒为肖特基削减。
为了和传统的热电子发射阴极相对应这种由场致发射机理制成的阴极被称为冷阴极。
二十世纪70年代初Spindt等人采用薄膜加工技术和双向沉积金属的方法研制出了场致发射阵列阴极(FEA),其特点是锥型的发射体,且每一个发射体尖端都有各自的栅极。
这种结构形式的冷阴极被称为Spindt阴极。
它首次在实验上用低的开启电压,获得了高的发射电流密度。
近年来,场致电子发射特性的研究表明,场致电子发射机理制备成的电子源可以提供很高的发射电流密度,没有加热功耗因而采用场致发射机理制备成的开启电压很小的冷阴极具有其独特的优势作为真空微电子基本理论的场致冷阴极发射电流方程ForlerNordheim方程是用于描述FEA器件阴极场致发射特性的主要工具。
F-N理论描述了清洁的金属材料发射体的场致发射电流密度与发射体表面电场之间的关系,一般地,作为近似处理也常用它来分析半导体材料发射体的场致发射。
根据F-N理论发射电流密度J(单位A/cm2)与表面场强E单位(V/cm)和功函数单位(eV)有以下关系[5]:
y称为功函数势垒的肖特基位降。
函数v(y)和t(y)对于大多数场致发射阴。
在工作范围内可以用t2(y)=1.1,v(y)=0.95–y2来作很好的近似。
通常在测试场致发射电流I和所加电压V的关系时,设J=I/a
E=BV,a为发射区面积,B为发射表面局部电场转换因子,于是,
(1-2)
(1-3)
根据测试获得的数据绘出公式(1-3)的关系曲线根据,该关系曲线的线性度来评估所测试的场致发射体的性质。
从F-N公式可见,场致发射电流密度与阴极表面逸出功和电场强度保持一定的指数关系。
要稳定发射电流必须稳定逸出功和电场强度的值。
影响逸出功的因素主要是管内残余气体在发射表面的吸附,脱附。
由此造成的表面逸出功的变化可高达1.8eV,这将使尖端发射电流密度降低到初始值的1%,甚至更小。
另外一个影响因素是离子轰击,引起阴极材料的溅射,使阴极变形,进而改变了表面场强,导致发射电流的剧烈变化。
另外,场发射尖端表面的内在热不稳定性也是影响发射稳定性的一个重要因素,在高真空下,由于热对流困难,在电流密度很高的时候,发射尖端表面会在焦耳热,Nottingham效应,离子轰击综合作用下使表面温度升高,导致尖端熔化变钝,改变了阴极发射特性。
1.2金刚石结构
金刚石和石墨同样都是由碳元素构成的,但与石墨的层状平面的晶型结构(图1-2(a))所示,不同在金刚石晶体中碳原子是(SP34)的构型,四个(SP3)电子和其他的碳原子或氢原子分别生成四个键生成的四个O键相互以109‘28`的夹角呈正四面体方向空间立体分布。
如图1-2(b)所示,正是这种空间的网架的立体结构使得金刚石具有如此众多的优良性质。
(a)石墨SP2平面结构(b)金刚石SP3立体结构
图1-2石墨层状平面晶体结构与金刚石空间立体分布晶体结构
1.3金刚石基本性质
(1)力学性质:
金刚石晶体具有自然界已有物质中最高的硬度、它的莫氏硬度为10。
金刚石晶体各晶面上的硬度也不同,其硬度从大到小的顺序为{111}›{110}›{100}。
因此它具有很好的机械耐磨性,是切割工具首选材料。
(2)热学性质:
金刚石的熔点为4000℃;它还具有很高的热导率,天然Ⅱ类金刚石室温下的导热率为26W/(cm•K),是铜的5倍。
天然Ⅰ类金刚石室温下的导热率为9W/(cm•K),人造优质单晶金刚石室温下的导热率为18~20W/(cm•K),一般有缺陷的人造单晶金刚石室温下的导热率为4.5~6.5W/(cm•K),而一般的人造多晶金刚石室温下的导热率为4~10W/(cm•K),极好的热导率使其成为需要快速热扩散的微电子领域的首选材料。
(3)光学性质:
金刚石很小的光吸收,它的光学吸收边在紫外波段,波长为0.225µm左右,从此波长到毫米波段,除位于5µm附近由于双声子吸收而造成的微弱吸收峰(吸收系数为12.3cm-1)外,不存在任何吸收峰。
它有较大的折射率,折射率在入射波长分别为546.1nm,656.3nm,226.5nm时的值相应为2.4237,2.4099和2.715。
它在大部分的紫外区到大部分的红外区都是透明的。
(4)电学性质:
在室温下金刚石具有很宽的禁带宽度,其数值为5.3~5.5eV,介电常数εr为5.58±0.03,金刚石常常被当成绝缘材料,一般天然金刚石的电阻率为1010Ω•cm,天然Ⅱ类金刚石室温下的电阻率为1~108Ω•cm,其硼的受主能级位于价带之上约0.37eV,显然表现为P型半导体。
金刚石还具有很高的饱和载流子速度,且其饱和载流子速度在强电场下并不下降。
金刚石的击穿场强高达100×105V/cm。
(5)化学性质:
,在高温下各种酸对金刚石几乎不起作用,空气中较大尺寸的金刚石晶体在600-700℃以下和金刚石微粉晶体在450-500℃以下均是很稳定的。
金刚石具有很好的化学稳定性,所以在恶劣环境中金刚石薄膜具有良好的抗腐蚀特性[7]。
金刚石具有优异的物理化学特性,又具有负电子亲和势,很低的电场作用下即可维持向真空中发射电子。
这一特性以及金刚石薄膜材料很好的稳定性使得金刚石薄膜材料成为一种比较理想,有前途的场致电子发射阴极材料。
大量的实验结果和理论表明金刚石薄膜发射体的发射特性优异,能够在同样大小的开启电压下获得比通常所用的硅材料场致发射体强得多的场致发射电流。
1.4金刚石薄膜的国际国内研究动态
近年来,国际上以金刚石薄膜纳米晶金刚石薄膜以及称之为类金刚石薄膜DLC等一类特殊功能材料的制作方法和工艺极其场发射特性的研究工作被广泛开展的研究工作被广泛开展,其中纳米金刚石薄膜作为一个重要的研究热点之一。
利用化学气相沉积(CVD)[7]的方法合成金刚石膜类似天然金刚石具有高硬度、高导热率、高电阻率等优异的物理化学性质,尤其金刚石具有的宽禁带、高载流子迁移率、低介电常数、高导热率、高击穿电压及其它性质,因此使用它成为制备的半导体器件可以在高于600℃的温度下正常工作。
作为耐腐蚀、抗辐射、防化学腐蚀的体器件可以在宇宙飞船、原子反应堆及恶劣环境下工作[1-4]。
金刚石是唯一的一种能在大气中稳定保持负电亲和势的材料,因此被普遍认为是一种出色的场发射材料[5-17]。
许多科学工作者对各种方法制备得金刚石材料的场发射性能进行了研究,使得基于金刚石材料的场发射阴极有了很大的发展。
如B.Baral等人[18]在1997年制备的CVD多晶金刚石材料的薄膜,经掺硼和氢处理后在15v/µm的电场强度作用下发射电流密度达到10µA/cm²。
到2004年,Li等人在硅片上用CVD法生长出掺氮金刚石薄膜,其场发射阈值达4v/µm[19]。
冯涛等人采用真空磁过滤弧沉积法制备的类金刚石薄膜的场发射阈值电压达到2.1v/µm,14.3v/µm的电场下电流密度为1.23mA/cm²[20]。
纳米结构的金刚石材料的场发射性能具有极大的发展潜力。
S.C.Wang等人用微波CVD法制备了晶粒尺寸为15-20nm的纳米金刚石薄膜,其发射阈值为2.2v/µm,6.4v/µm[8]的电场下电流密度高达720µA/cm²[21]。
绍乐喜等人将普遍爆炸法制备出的纳米金刚石粉涂覆于硅片上作为场发射阴极材料,其开启电压为3.2v/µm,最大电流密度能达到130µA/cm²[22]。
J.L.Davidson等人用研究制备了纳米结构的金刚石材料的显示器[23]。
在材料结构中引入可导电的晶界有助于提高材料的导电性。
研究表明,金刚石材料的晶粒越小,其场发射性能越好。
到目前为止,在几百纳米以下的尺度范围内,纳米金刚石薄膜能在更低的电场作用下获得比一般金刚石薄膜更均匀更稳定的发射电流纳米金刚石薄膜具有更优良的发射特性已经被广泛证实,从金刚石材料中得到的最好的场致发射是来自于纳米金刚石材料[22-36]。
获得高质量发射性能的纳米金刚石薄膜以用作场致电子发射材料是目前研究的热点之一。
目前国际上和国内对纳米金刚石薄膜的研究主要集中在采用各种工艺方法制备和获得纳米金刚石薄膜上。
这其中,由于低气压下CVD方法,较之早期的高温高压制备方法,具有清洁可靠,可沉积,高质量的薄膜等众多优点而成为制备金刚石薄膜的主流工艺方法,包括热丝法MPCVD法,射频放电法,等离子体炬法等。
但是所有的生长方法都不能制备大面积均匀的纳米金刚石薄膜,为了得到大电流输出的微波电子源,我们采用低成本的丝网印刷方法在不锈钢和石墨衬底上制备大面积均匀的纳米金刚石薄膜,研究大面积均匀的纳米金刚石薄膜的场发射特性。
本课题研究的对象是怎样制作纳米金刚石薄膜和制作纳米金刚石薄膜所采用的一些工艺流程,以及所制作的纳米金刚石薄膜的一些优异的特性,比如其良好的电子场发射性,耐高温性和耐腐蚀性等。
同时,我们还将根据纳米金刚石薄膜的优异的电学特性来设计一个传感器。
本研究采用纳米金刚石作为微尖,引入石墨作为导电晶界。
用纳米金刚石作为发射体,纳米石墨作为导电媒质,制作了场发射薄膜。
研究了该薄膜的制备工艺,得到了场致发射性能良好的优化工艺条件。
建立了纳米金刚石薄膜场致发射模型,分析了纳米金刚石薄膜的场致发射特性,并在此研究基础上实际应用纳米金刚石薄膜的优异特性来设计一传感器,并用实验的态度去验证和探索此传感器的功能特性。
第二章实验系统和实验关键步骤处理
2.1所采用的制备金刚石薄膜的实验工艺
一、浆料的制备
图2-1甲基纤维素+水+纳米金刚石图2-2硝棉+乙酸丁酯+纳米金刚石
如图2、图3所示,首先用甲基纤维素+水+纳米金刚石的配方和硝棉+乙酸丁酯+纳米金刚石的配方制备了浆料,但实验发现由于表面张力作用,这两种浆料印刷的薄膜在不均匀。
所以笔者依然用松油醇作溶剂,乙基纤维素作制浆剂配制浆料,乙基纤维素+松油醇+金刚石+石墨的配方均匀性以及与衬底的粘结性都比较好,如图4所示。
配制浆料的工艺流程为:
纯化纳米金刚石原料→干燥→称量→松油醇溶剂中长时间超声分散→加入纳米石墨→用高密度的丝网过筛→加入一定量的制浆剂乙基纤维素→加热(130℃)搅拌→冷却至室温。
超声分散的时间一般为6-9小时,待纳米金刚石和纳米石墨在浆料中充分散即可
(1)制备浆料前原料的分析与纯化
显示器的每个像素中一个发射点就可以使此像素发光,为了使显示亮度均匀,单位像素中的颗粒密度应为1×104个,则直径为0.5µm的金刚石颗粒就能够实现。
当然为了提高阴极发射的均匀性颗粒越小能分布的发射点越多,发射会越均匀,且金刚石粉的半径越小越容易集中发射尖端的电场,还可以减小电子在金刚石中必需的输运路径,简化栅极的结构等等,只是场发射所需的电压减小,易于实现实用化,因此纳米级颗粒最为理想。
纳米金刚石粉末和纳米石墨原料在制浆前进行了粒度分析,如图5所示,纳米金刚石粉末的平均粒度为8.3nm,。
图2-3纳米金刚石粉末的粒度分布比例(平均粒度8.3nm)
由于纳米金刚石颗粒很容易团聚在一起,形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体,这给纳米颗粒在金属衬底表面的均匀分布带来了很大的困难,从而影响电子发射的均匀性。
我们采用超声分散的方法解决纳米金刚石颗粒的团聚问题。
为取得较好的场发射效果,制浆前先将纳米金刚石粉末用王水进行纯化,漂洗后,在溶剂松油醇中未添加制浆剂乙基纤维素前进行分散,且分散时最好在加热状态下进行,因为这样可以使溶剂的粘度变小,从而提高分散效果。
分散分两步进行,第一步是在未添
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