基于金刚石和立方氮化硼的纳米尖锥阵列的研制与场致发射性能的研究

To functionalize a material's surface in a controlled way by structuring it on a nanoscale, certainly belongs to the most actively pursued goals of current materials research because new applications are expected in a variety of different fields ranging from biology to information technology. Here, we propose a new approach for thedesign and optimization of an electron emitter with outstanding performance which is based on the field emission effect (cold cathode). Diblock copolymer-based nanoparticle arrays exhibiting a high degree of hexagonal order and offering an easy control of particle size and interparticle spacing will be used as nanomasks for a subsequent pattern transfer into diamond and cubic boron nitride films by means of reactive ion etching. Ordered arrays of sharp nanotips with unprecedented areal densities and well designed electric and morphological properties will be created, allowing to systematically investigate and optimize their field emission properties with respect to a maximum electron current emitted from the nanostructured surface. Such a high performance electron source might have strong impact on future developments associated to, e.g., flat panel displays, compact X-ray sources or green energy production by direct conversion of heat into electricity (thermionics).

材料表面的可控纳米构筑是实现其功能性和器件化的重要手段之一。金刚石和立方氮化硼（c-BN）是少数具有负电子亲和势的优质宽禁带半导体，在其表面构筑纳米尖锥阵列，对以场致发射器件为基础的从生物检测到信息技术等诸多领域都有巨大的推动意义。针对目前场致发射研究中遇到的制备工艺繁琐、成本较高、稳定性和均匀性不佳等问题，本项目提出一种新型的大面积的场致电子发射冷阴极尖锥阵列的制备工艺。拟采用嵌段共聚物自组装金属纳米颗粒作为刻蚀掩板，结合反应等离子体刻蚀技术，在金刚石和c-BN表面构筑尺寸均一、间距可调的纳米尖锥阵列，通过调控掩板颗粒的种类、大小和形态配合刻蚀参数能够有效地控制纳米尖锥阵列的几何形貌与密度等，优化电子发射效率，提高电子发射的均匀性，增加场增强因子，从而提高场致发射器件的性能。因此，本项目的实施可以解决现有场致发射器件中的关键技术问题，为场发射器件的实用化提供了一条可行的途径。

金刚石和立方氮化硼(c-BN)是少数同时具有众多优异性质的宽禁带半导体材料，对其表面进行纳米结构构筑，对生物检测到信息技术等诸多领域都有巨大的推动意义。本项目在金刚石和c-BN的高质量生长、表面构筑及结构性质调控等方面做了大量的创新性工作。.采用超高真空磁控溅射手段，通过调节实验参数，制备了高质量c-BN薄膜。发现在传统的气氛N2/Ar中引入H2，可以有效的抑制h-BN生长，有助于c-BN稳定成核，可获得了高立方相含量(>95%)的c-BN厚膜(>4.5µm)。此外，通过改进磁控靶材的结构和调控磁控溅射的工艺参数，可控地制备大面积、高密度的BN纳米尖锥结构，该BN纳米晶的生长取向、结晶尺寸、有序度都随溅射温度改变，通过调节C掺杂含量而调控该纳米尖锥结构的光电特性。.采用化学机械精细抛光手段对微波等离子体化学气相沉积合成的金刚石膜进行了表面抛光处理，为金刚石在很多方面的基础研究及工业应用提供了可行性。此外，采用嵌段共聚物自组装方法可控合成了具有二维周期性拓展排列的金属纳米颗粒，将此作为刻蚀掩板，结合反应等离子体刻蚀技术，在CVD金刚石膜表面构筑了尺寸均一、间距可调的高长径比的纳米尖锥阵列，通过调控掩板颗粒的种类、大小和形态配合刻蚀参数能够有效地控制纳米尖锥阵列的几何形貌与密度等。.本项目的实施，为金刚石和c-BN为基体的半导体光电子器件的研制和应用提供了新的实验数据和理论依据。.共发表了SCI学术论文4篇，EI综述1篇，国内核心期刊1篇，获授权国家发明专利2项，组织申报国家发明专利3项，国际会议邀请报告2次，国内会议邀请报告4次。