1、纳米金刚石半导体薄膜传感器的研究与模拟毕业设计 精品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 学 生 姓 名 杨振军 专 业: 测控技术与仪器 学 号: 20060239 指导教师姓名: 张 秀 霞 教授 论文提交时间: 2010年5月22日 论文答辩时间: 2010年5月29日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 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
2、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
3、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 The diamond has strong resist radiation, corrosion resistance, is used in high temperature of the new band gap width of semiconductor material, known as the development prospects of the third gener
4、ation of semiconductor materials. Therefore, the diamond film can be made into heat, impact resistance, corrosion resistance, radiation, high sensitivity of pressure sensor.This paper according to market demand field-emission materials in nano diamond powders, adding nano graphite powder size, nanot
5、ubes made nanodiamond diamond, as the sharp as conductive graphite grain. Using nanometer diamond as projectile, nano conductive medium, printing graphite as preparation of field emission film. The preparation for printing, stable area of field emission performance of uniform diamond thin films, nan
6、ometer material nanometer-size diamond ultrasonic dispersing and mechanical method and the paste made dispersed new craft, experiment of nano graphite, nano size diamond and ethyl cellulose, make the best proportion of diamond micro nano tip, reasonable distribution density. To make film of pulping
7、agent can watch volatile exposed nano diamond fine, nano tip diamond film binder firmly in the substrate, the study of diamond film, the highest temperature sintering process, how to best nanometer diamond film field-emission model testing and analysis, the diamond film field-emission characteristic
8、s. Using nanometer diamond film field-emission characteristics designing a pressure sensor, with MATLAB simulation analysis of nano diamond film pressure sensor principle of work.KEY WORDS: nano, film, diamond field-emission, pressure sensor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
9、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
10、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/m的电场强度作用下发射电流密度达到10A/cm。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/m19。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/m，14.3v/m的电场下电流密度为1.23mA/cm20。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/m，6.4v/m的电场下电流密度高达720A/cm21。绍乐喜等人
11、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/m，最大电流密度能达到130A/cm22。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
12、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
13、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01100nm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
14、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
15、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
16、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
