TiN_x缓冲层的制备及对一维SiC纳米材料场发射的影响

论文摘要

TiN因具有高强度、高硬度、高熔点、高化学稳定性、耐磨损、良好的导热性等一系列优点以及在增强材料的光致发光、改变半导体的带宽等方面的应用而成为目前广泛研究的材料之一。一维SiC纳米材料因其具有良好的热稳定性和化学稳定性、高的热导率、高的临界击穿场强、较低的功函数和优异的力学性质,成为场发射阴极材料的首选材料之一,是国内外研究热点。本文以TiNX薄膜为缓冲层,通过制备条件的改变,研究其对一维SiC纳米材料场发射性能的影响。在论文工作中,进行了以下几个方面的研究:（1）研究了不同工艺参数对TiNX薄膜的微结构及性能的影响。结果发现:随着溅射功率的不断增大,TiNX薄膜的晶粒尺寸先下降后增加,厚度先增厚后减薄,薄膜中N/Ti原子比和电阻率不断下降,而高于一定溅射功率,电阻率趋于某一定值;随着溅射压强的不断增加,薄膜厚度越来越小,取向由（111）晶面转变为（200）晶面生长,N/Ti原子比逐渐升高,电阻率随之升高;随着衬底温度的升高,薄膜的取向由（200）晶面转向（111）晶面,柱晶的直径先增大后减小,N/Ti原子比呈升高趋势,而电阻率呈下降趋势。总之,衬底温度对成分和电阻率的影响是相反的,而溅射功率和溅射压强对这两方面的影响是一致的。（2）研究了制备条件对一维SiC纳米材料生长的影响。结果发现:Ni催化剂颗粒大小决定CNTs的直径,纳米管的定向生长是衬底表面的电场诱导所致,其中自偏压对CNTs的生长起着至关重要的作用。相同制备条件下,不同微结构的TiNX薄膜表面生长的CNTs直径均大约为70nm,长度为1μm,表面形貌基本一致。溅射Si及高温退火后得到了具有一定阵列性的一维SiC纳米材料,随后的XPS分析表明,材料中存在较强Si-C键合,XRD物相分析表明,得到的是SiC,说明用模板法可以制备得到一维SiC纳米材料。通过SEM观察发现,在SiO2缓冲层上生长的一维SiC纳米材料较TiNX缓冲层上生长的疏松,但阵列性更好。（3）研究了TiNX缓冲层对一维SiC纳米材料场发射性能的影响。结果发现: TiNX缓冲层制备条件的不同对一维SiC纳米材料场发射性能有显著的影响,衬底温度越低,获得的TiNX薄膜中N/Ti原子比越低,其上生长的一维SiC纳米材料的场发射性能越强。衬底温度为100℃时,发射性能最强,开启场强为9.0V/μm,在12.3V/μm时发射电流密度达到10mA/cm2。而SiO2上的生长的一维SiC纳米材料开启电场达到17.8 V/μm,在21.6 V/μm时发射电流密度达到10mA/cm2。与SiO2缓冲层相比,TiNX缓冲层的引入有助于提高一维SiC纳米材料场发射的性能。这些结果为今后SiC场发射器件的开发提供有意义的借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 TiN 概述
• 1.1.1 TiN 材料的结构和性质
• 1.1.2 TiN 薄膜材料的制备
• 1.1.3 TiN 薄膜研究现状及应用
• 1.2 TiN 缓冲层的发展及应用
• 1.2.1 缓冲层概述
• 1.2.2 TiN 缓冲层的研究现状
• 1.3 一维SiC 纳米材料概述
• 1.3.1 一维SiC 纳米材料的性质
• 1.3.2 一维SiC 纳米材料的制备
• 1.3.3 一维SiC 纳米材料场发射性质研究现状
• 1.4 本文主要的实验内容及研究路线
• X薄膜的制备与表征'>第二章 TiN_X薄膜的制备与表征
• X薄膜'>2.1 反应磁控溅射制备TiN_X薄膜
• 2.1.1 反应磁控溅射原理
• 2.1.2 反应溅射设备
• X薄膜的制备'>2.1.3 TiN_X薄膜的制备
• X薄膜物相组成、表面和横截面形貌、性质表征'>2.2 TiN_X薄膜物相组成、表面和横截面形貌、性质表征
• 2.2.1 物相组成表征
• X薄膜的表面、横截面形貌表征及成分测定'>2.2.2 TiN_X薄膜的表面、横截面形貌表征及成分测定
• X薄膜电阻率测定'>2.2.3 TiN_X薄膜电阻率测定
• 2.3 实验结果及讨论
• X薄膜微结构和性能的影响'>2.3.1 溅射功率对TiN_X薄膜微结构和性能的影响
• X薄膜微结构和性能的影响'>2.3.2 溅射压强对TiN_X薄膜微结构和性能的影响
• X薄膜微结构和性能的影响'>2.3.3 衬底温度对TiN_X薄膜微结构和性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 一维SiC 纳米材料的制备与表征
• 3.1 碳纳米管的制备
• 3.1.1 制备方法
• 3.1.2 CVD 生长CNTs 的生长机制
• 3.1.3 实验设备
• 3.1.4 制备过程
• 3.2 不同制备条件对CNTS 生长的影响
• 3.2.1 催化剂对CNTs 生长的影响
• 3.2.2 电场方向对CNTs 生长的影响
• 3.2.3 自偏压对CNTs 生长的影响
• X缓冲层上生长CNTS 的表征'>3.3 TiN_X缓冲层上生长CNTS 的表征
• 3.4 一维SiC 纳米材料的制备
• 3.4.1 溅射Si
• 3.4.2 高温退火
• 3.5 一维SiC 纳米材料的表征
• 3.5.1 一维SiC 纳米材料的SEM 表征
• 3.5.2 一维SiC 纳米材料的XPS 分析
• 3.5.3 一维SiC 纳米材料的XRD 分析
• 3.6 本章小结
• X缓冲层对一维SiC 纳米材料场发射的影响'>第四章 TiN_X缓冲层对一维SiC 纳米材料场发射的影响
• 4.1 场发射的原理
• 4.2 场致电子发射测试设备
• 4.3 一维SiC 纳米材料场发射性能比较与分析
• X缓冲层对一维SiC 纳米材料场发射性能的影响'>4.3.1 不同TiN_X缓冲层对一维SiC 纳米材料场发射性能的影响
• 4.3.2 不同缓冲层对一维SiC 纳米材料场发射性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢