金刚石单晶纳米线定向阵列金属蒸气真空弧等离子体技术的合成机理与性能研究

利用沟道效应，采用MEVVA等离子体技术引入准直碳离子束，对通过激光烧蚀硅基多晶SiC薄膜制备的超纳米金刚石薄膜进行选择性刻蚀，去除[110]方向不与基底垂直的纳米晶粒，以此为基础，通过在1000K左右温度下的射频（H2+CH4）等离子体辐照实现金刚石单晶纳米线阵列自组装定向生长并测试其从低温（LHe）至高温（600K）的场发射性能。利用HRTEM、FESEM、XPS、激光拉曼、SAED等测试技术，分析碳离子束的能量、方向、剂量和基底温度对超纳米金刚石薄膜晶粒取向，结构和分布均匀性的影响；并进一步分析薄膜结构和均匀性以及射频等离子体的能量密度、辐照剂量，H2+CH4比例、衬底温度等工艺条件对金刚石单晶纳米线定向阵列结构、形貌、相互间结合状态的影响。探讨阵列场发射性能与相关工艺技术和结构的关系，研究金刚石单晶纳米线自组装生长的机理和结构稳定性。本研究对高性能场发射平板显示器的研发有重要意义。

本项目着眼于金刚石单晶纳米线阵列可控合成、机理及其场发射性能的研究。以定向碳纳米管阵列作为反应前驱体，经过射频等离子体长时间辐照以后，虽然没有发现碳纳米管向超纳米金刚石颗粒的转变，但发现了一种全新的由碳纳米管和石墨烯构成的结构，这种结构的定向阵列具有优异和稳定的场发射性能；以MEVVA等离子体技术制备的类金刚石薄膜作为反应前驱体，我们发现长时间的射频氢等离子体辐照可以将类金刚石薄膜转变成超纳米金刚石颗粒薄膜并促使金刚石颗粒持续生长，虽然更长时间的辐照没有得到一维的金刚石纳米结构，但相变中所存在的金刚石团簇—无定形碳“核-壳”结构为进一步探讨可能的金刚石一维纳米结构自组装生长提供了技术途径上的启示；利用PECVD合成的金刚石纳米线具有柱状纳米晶体结构这一物理特征，采用MEVVA系统沉积的镍薄膜作为刻蚀阻挡层，通过电感耦合射频氧等离子体刻蚀，我们还制备了具有准单晶结构的金刚石纳米线定向阵列，室温下场发射性能测试表明其开启电场为3.0V/μm，功函数Ψ为4.63eV,场增强因子β约～1612，具有优异的场发射性能。本项目研究结果在高性能场发射器件方面有一定的应用价值。