行政院国家科学委员会专题研究计画成果报告

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一、研究計畫之背景及目的: 近年來,奈米鑽石薄膜已經成為 科學家研究開發的熱門材料之一。在 五O年代時,科學家們便利用高溫高 壓法成功長出人造鑽石,到了八O年 代初期成功發展在低壓成長鑽石薄 膜,更是大大地擴大了鑽石可應用的 範圍。奈米鑽石薄膜之所以如此受到 青睞,正是因為他具有相較其他材料 的優越性能。(1)力學性質 :奈米鑽石 薄膜硬度已可達天然鑽石的硬度及 具低摩擦係數 ;(2) 熱學性質 : 在常溫 下,奈米鑽石薄膜的導熱率可達 12W/(cm-K)以上 , 幾乎是純銅的 3 倍; (3) 聲 學 性 質 : 聲 音 傳 導 速 度 可 達 15000~16500m/s ;(4) 光學性質 : 高透 明度,可以透過從紫外線 (225nm)到
Arc current of Cu metal (A)
Fig. 3 Sheet resistivity of amorphous diamond deposited by different arc currents of Cu metal.
2.
0.40 0.35
DLC+Cu
sp /(sp +sp ) ratio (%)
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 40 50 60 70 80
4. 5.
3
2
3.
3
Arc current of Cu metal (A)
Fig.1 Sp3 / (sp3 + sp2) ratio of amorphousห้องสมุดไป่ตู้diamond deposited by using different arc currents of Cu metal.
650
Fig.5 AFM 3-D mircographs (scanning range 3 m 3 m) of Cu containing diamond film. (RMS=11.85nm)
DLC+Cu
Sheet resistivity (/square)
600 550 500 450 400 350 300 250 200 0 40 50 60 70 80
6 3/ 2 1.54 10 (βVg )2 v( y) I nA exp 6.87 107 βVg
使用陰極電弧 PVD 以石墨為靶 材沈積奈米結構無晶鑽石薄膜,同時 加上以不同的電弧電流沈積銅金屬 靶,以達成混鍍效果,並歸納出最佳 的製程參數。沈積後的非晶質類鑽石 膜以原子力電子顯微鏡(AFM)、拉曼 光譜儀 (Raman)、化學分析電子光譜 儀(ESCA)、I-V 量測系統等來觀察其 表面型態、鑑定薄膜品質與其鍵結狀 態,並分析其場發射特性。 三、結果與討論 圖 1 為利用 ESCA 分析加入金屬 銅的奈米結構無晶鑽石膜之鍵結形 態,由圖中可得知,sp3 之比例隨著 混鍍金屬銅的電弧電流增加而下 降,其原因為,在沈積奈米鑽石膜過 程中主要的碳離子受到銅離子碰 撞,損失部分形成 sp3 鍵所需能量。 圖 2 為 Raman 的分析 , 分析結果 其 ID/IG 、 AreaD/AreaG 、 FWHMsD/ FWHMsG 之趨勢與 ESCA 分析的 sp2 及 sp3 鍵結形態相符合[7]。 圖 3 為金屬-奈米鑽石膜的片電 阻值,由圖中可發現,膜整體的片電 阻值隨著銅的電弧電流增加而下 降。在電弧電流為 70 安培時,片電 阻值從 627.37Ω /□ 降到 256.38Ω /□ ; 此 -2 時電阻值達 1.12*10 Ω -cm。 圖 4 為奈米結構無晶鑽石之表面 形態(RMS=5.454nm); 圖 5 為含銅的 奈米結構無晶鑽石之表面形態 (RMS=11.85nm),由 AFM 圖中可得 知其兩者表面皆含有大量的奈米級 的無晶鑽石尖端,此結構可以大量增 加β值。此外,發現 Cu 的加入碳膜 中會導致膜的粗糙度提高[8]。 圖 6、7 及圖 8 為有無含銅的奈 米結構無晶鑽石膜的 AFM 2-D 顯微 影像及奈米尖角之尺寸分佈,由圖中 可得知其尺寸分佈在 15-30nm。
遠紅外線的各種波長的光線及高折 射率;(5)化學性質:化學穩定性極好, 並且耐腐蝕及抗輻射;(6)電學性質:具 高能隙 (Band Gap=5.45 eV) 所以擁 有 負 電 子 親 和 力 (Negative Electron Affinity,NEA)特性。因此造成鑽石 內原子導電帶(Conduction Band)的能 量比真空(Vacuum Level)還高,因此 當電子一進入導電層即可在真空中 放電[1-5]。 正因為奈米鑽石薄膜有上述所 列性質優點,因此創造出許多新穎的 應用元件,其中包括了超級磨料 (Superabrasive) , 輻 射 窗 (Radiation Windows) , 高 速 散 熱 片 (Heat Spreader),雷達罩,電子激發元件 (Miniature E-Excitation Device),人工 心臟瓣膜及各種數位控制系統 ( 如製
方程式中,n: The number of emitters, A: The emission area per tip,Φ: Work function (in eV), β : the field enhancement factor, Vg: the voltage applied to the emitter electrodes, v( y ) : the correction factors related to the electric field. 根據上述方程式,具有低功函數 及高β值(the field enhancement factor) 之高密度奈米結構無晶鑽石,可使得 場發射達到最高電流及較低工作電 壓。 本實驗利用摻雜導電性與導熱 性更佳的銅(Copper)來降低奈米鑽 石、金屬和電極基板之間的電阻。並 藉由摻雜銅金屬來調整奈米鑽石與 石墨之粒徑及比例,增加電子傳導與 發射路徑。進而有效降低電子發射臨 界電壓,且增大電子發射電流。 二、實驗方法
6.
7. 8.
陳聖元, “ 探材料之場發射機制探 討 ,”科儀新知第二十六卷第四 期p63-71(2005). L.K. Cheah, X Shi, B.K. Tay, E. Liu, Surf. Coat. Technol. 105(1998) 91. Y. Lifshitz, G.D. Lempert, E. Grossman, I. Avigal, C.Uzansaguy, Diamond Relat. Mater. 4(1995) 318
圖 9 為不同銅的電弧電流量對電 子場發射的影響,由圖中可得知,大 致上電弧電流量越大,其起始電場愈 小。最低起始外加電場 (Lowest turn on applied field strength) 為 2.54V/ m 、 在 電 流 密 度 為 10 2 A/cm ,最小有效功函數 (Effective work function, e) 為 0.0001eV。 四、結論 本實驗結果顯示高導電率之奈 米結構無晶鑽石薄膜,電阻值可達 1.12*10-2 Ω -cm , 可使得場發射電流臨 界工作電壓降低。實驗所得之高密度 奈米結構無晶鑽石薄膜之最低起始 外加電為 2.54 V/ m 在電流密度為 10 2 A/cm ; 最小有效功函數 (Effective work function, e) 為 0.0001 eV。 誌謝: 本 計 畫 承 國 科 會 NSC-94-2216-E-230-003- 經費補助, 另外感謝中國砂輪公司儀器的協助。 參考文獻 1. S.H. Yang, M. Yokoyama, “ E l e c t r o ne m i s s i o nb e h a v i o r so f polycrystalline diamond-coated s i l i c o ne m i t t e r s , ”J p n .J .A p p l . Phys. 38, (1999) 209-212. G.D. Lian, E.C. Dickey, M. Ueno, M.K. Sunkara, “ Ru-doped nanostructured carbon films,” Diamond Relat. Mater. 11 (2002) 1890-1896. A. Grill, “ Electrical and optical properties of diamond-like carbon” Thin Solid Films, 355-356 (1999) 189-193. 錢國基,產業經濟第201卷,民 87.05,頁105-109。 甘明吉, “ 奈米尺寸探材料之電子 場發射特性 , ”國立成功大學材 料科學及工程研究所博士論文 (2003)
3.2 2.8 2.4
ID/IG FWHMD/FWHMG AreaD/AreaG
Relative Ratio
2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 40 50 60 70
Arc current of Cu metal (A)
Fig. 2 Ratios of Raman spectra peak intensities (ID/IG) 、 integrated peak areas and FWHMs between the D and G band of amorphous diamond deposited by different arc currents of Cu metal.
程控制),乃至航太(如衛星定位)及汽 車工業產品等等,涵蓋了我們整個日 常生活中甚至是國防科技運用方面。 近幾年來光電產業的崛起與 FED市場蓬勃發展,部份利用的就是 以奈米鑽石為主的碳基材料的場發 射特性。電子場發射的過程大體可以 分為三個階段:從背接觸材料到薄膜 內的電子注入;電子在薄膜中的傳輸; 電子從薄膜向真空中的發射。而場發 射子是冷陰極,電子是藉著穿隧發射 (tunneling emission) 到達陽極而不是 加熱激發。電子發射過程是由 Fowler-Nordhiem (FN) 方程試來描述 [6] ,FN方程試乃描述電子在一電場 (E)下通過能障(Φ)之情形,因此發射 電流(I)為: