姜 碩，楊延寧，李偉霞，白雨軒，楊 柳，趙方睿

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000)

納米金剛石摻混鉿與摻混鈦的場(chǎng)發(fā)射特性研究

姜 碩，楊延寧*，李偉霞，白雨軒，楊 柳，趙方睿

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000)

研究了鉿摻混與鈦摻混對(duì)納米金剛石場(chǎng)發(fā)射特性。根據(jù)金屬鉿與鈦的不同性質(zhì)，分別對(duì)納米金剛石摻混鉿和鈦，通過(guò)電泳法在鈦基底上制備了納米金剛石復(fù)合陰極樣品，測(cè)試了其場(chǎng)發(fā)射性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻鈦相比純凈的納米金剛石涂層的場(chǎng)發(fā)射特性有所提高，并且鈦摻混納米金剛石涂層的均勻性和穩(wěn)定性比較好，而摻鉿場(chǎng)發(fā)射特性下降。分析表明這與金屬鉿和鈦的特性有關(guān)。

鉿；鈦；納米金剛石；場(chǎng)發(fā)射性能

近年來(lái)，以納米金剛石、碳納米管(CNT)等材料為基體所制備的復(fù)合材料成為人們研究的熱點(diǎn)[1]。摻雜和采用納米級(jí)發(fā)射體材料是提高場(chǎng)發(fā)射性能的有效途徑，摻雜、摻混、包覆以及改性等可以在薄膜材料中引入可導(dǎo)電的晶界，有助于提高薄膜的導(dǎo)電性，進(jìn)而提高薄膜材料的電子輸運(yùn)能力[2]，研究發(fā)現(xiàn)金剛石薄膜或涂層摻雜具有良好的電子輸運(yùn)特性，可以提高其場(chǎng)發(fā)射性能。一些研究表明，金屬鉿具有較好的抗氧化性，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，較低的電子逸出功，被用于等離子切割電機(jī)的等離子發(fā)射體、磁控濺射靶材等[2，3]，它的碳化物(HfC)作為高溫結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域和平板顯示器領(lǐng)域；金屬鈦可以與金剛石在高溫下發(fā)生鍵合反應(yīng)而形成歐姆接觸[4]，在納米金剛石中摻入鈦粉，可以讓鍵合反應(yīng)擴(kuò)大到整個(gè)涂層中。所以根據(jù)鉿和鈦的不同性質(zhì)，本文在納米金剛石中摻入了鈦和鉿粉，研究了納米金剛石復(fù)合材料的場(chǎng)發(fā)射特性。

1 鉿對(duì)納米金剛石的場(chǎng)發(fā)射特性的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在電泳沉積之前，首先對(duì)鈦襯底進(jìn)行打磨、拋光、洗滌劑清洗、超聲清洗和去離子水沖洗等工藝，然后用乙醇脫水后備用[3]。

首先，將相同配比的異丁醇、丙酮、去離子水、碘以及納米金剛石粉的混合溶液放入4個(gè)燒杯中，其中，異丁醇40 mL，丙酮1 mL，去離子水2 mL，碘5 mg，納米金剛石粉20 mg。然后分別摻入0、2、5、10 mg的鉿粉，標(biāo)記為樣品1-1、1-2、1-3、1-4。將溶液攪拌均勻后，將溶液放置在超聲波清洗機(jī)中超聲60 min，超聲溫度為50℃。超聲完成后開(kāi)始電泳，其中，在電泳裝置中，陰極與陽(yáng)極間距為1 cm，電泳電壓為60 V，電泳時(shí)間為1 min。電泳完成后，將樣品放入熱絲CVD(Chemical Vapor Deposition)系統(tǒng)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度取800℃，處理時(shí)間10 min。最后將熱處理后的樣品放入場(chǎng)發(fā)射測(cè)試儀中進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能的測(cè)試。

1.2 結(jié)果與分析

對(duì)各樣品做場(chǎng)發(fā)射測(cè)試，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)的真空度為2.2～2.6×10-4Pa，圖1為4個(gè)樣品的場(chǎng)發(fā)射特性曲線，由圖可發(fā)現(xiàn)，Hf摻混納米金剛石后，隨著Hf含量的增多，復(fù)合材料的場(chǎng)發(fā)射性能下降，表現(xiàn)為場(chǎng)發(fā)射電流減小，F(xiàn)-N曲線斜率變大。原因可能是Hf是一種穩(wěn)定性很高的金屬，Hf摻入后，在800℃熱處理溫度下，Hf本身并沒(méi)有像鈦基底一樣，與納米金剛石發(fā)生鍵合反應(yīng)，反而鉿的摻入影響了金剛石與基底Ti的鍵合反應(yīng)[5，6]。所以摻入鉿之后，納米金剛石的場(chǎng)發(fā)射特性下降。

(a)I-V特性曲線 (b)F-N特性曲線

2 金屬鈦對(duì)納米金剛石場(chǎng)發(fā)射特性的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按照摻鉿的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行，不同的是：電泳液中摻入的分別是0，2，5，10 mg的鈦粉，并分別標(biāo)記為樣品2-1，2-2，2-3和2-4。

2.2 結(jié)果與分析

對(duì)各樣品做場(chǎng)發(fā)射測(cè)試，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)的真空度為2.2×10-4～2.6×10-4Pa，各樣品的場(chǎng)發(fā)射特性曲線如圖2所示。從圖(a)中可知，隨著摻鈦含量的增加，樣品的開(kāi)啟電場(chǎng)在減小，場(chǎng)發(fā)射電流在增大；而在圖(b)中，各樣品的曲線都接近直線，這證實(shí)了摻入鈦之后，樣品的場(chǎng)發(fā)射機(jī)理[7，8]并沒(méi)發(fā)生變化，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻入的鈦含量的增加，F(xiàn)-N曲線的斜率越來(lái)越??；這些均說(shuō)明摻入鈦之后，納米金剛石的場(chǎng)發(fā)射特性有所改善。

(a)I-V特性曲線 (b)F-N曲線

為了證明是否是摻鈦的量越多越好，我們測(cè)試了樣品的發(fā)光效果。圖3是各樣品的發(fā)光效果圖，可見(jiàn)，隨著摻入鈦粉量的增多，亮度越來(lái)越高；對(duì)于均勻性來(lái)說(shuō)，樣品2-3相對(duì)均勻，且發(fā)光點(diǎn)多，而樣品2-4雖然發(fā)光亮度增大了很多，但均勻性變差。

圖3 摻鈦樣品的發(fā)光效果圖

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：對(duì)于未摻鈦的樣品2-1來(lái)說(shuō)，熱處理后陰極只能形成Ti-TiC-diamond的層狀結(jié)構(gòu)[2，7]，這樣涂層表面就會(huì)出現(xiàn)大量金剛石顆粒交疊覆蓋的情況[9]，而金剛石顆粒自身的導(dǎo)電性較差，造成電子難以輸運(yùn)到涂層表面的金剛石顆粒[10]，所以其場(chǎng)發(fā)射電流相對(duì)較低。而對(duì)于樣品2-3來(lái)說(shuō)，摻入5 mg鈦粉之后，沉積的陰極涂層中金剛石交疊減小，這是因?yàn)槠潆娪疽悍稚⒕鶆?。這樣經(jīng)過(guò)熱處理后，不僅鈦基底和金剛石顆粒之間發(fā)生了鍵合反應(yīng)，而且鈦粉與涂層中的納米金剛石顆粒也發(fā)生了鍵合反應(yīng)，從而形成了Ti-TiC-diamond-TiC-Ti的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2，7]，這種結(jié)構(gòu)為場(chǎng)發(fā)射電子的輸運(yùn)提供了通道，大大提高了涂層的電子輸運(yùn)能力[11，12]，所以場(chǎng)發(fā)射電流有所增加。然而過(guò)量的鈦摻入，雖然場(chǎng)發(fā)射電流提高了，但是由于涂層中Ti含量的增大，熱處理后涂層表面形成的TiC增多，有的金剛石顆粒就會(huì)被TiC覆蓋，使得表面的有效發(fā)射體數(shù)目減少，從而使電流集中到那些突出的發(fā)射點(diǎn)上，于是就會(huì)出現(xiàn)發(fā)光亮度高，但均勻性差的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為一些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素很亮，而其他點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素不亮。因此，鈦摻入量不宜過(guò)多，適量的鈦摻混能使納米金剛石陰極的場(chǎng)發(fā)射性能得到增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文主要研究了摻鉿和摻鈦納米金剛石復(fù)合材料的場(chǎng)發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)與未摻雜的納米金剛石相比較，鈦摻混納米金剛石涂層的均勻性和穩(wěn)定性比較好，同時(shí)場(chǎng)發(fā)射特性也有所提高，但是摻鉿之后，場(chǎng)發(fā)射特性下降。這說(shuō)明不同材料的摻混對(duì)金剛石場(chǎng)發(fā)射特性的改善，不僅與摻混材料的電特性相關(guān)，也與摻混材料的形狀、粒徑和結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。

[1]田勇亮，丁佩.硼碳氮納米管薄膜的制備及場(chǎng)致電子發(fā)射性能研究[J].天中學(xué)刊，2008， 23(2): 23-26.

[2]Li J J,Zheng W T,Gu C T,et al.Field emission from nitrogen-implanted CVD diamond film grown on silicon wafer[J].Material Science &Processing: Appl.Phys.A,2005,81(2): 357-361.

[3]楊延寧.納米金剛石復(fù)合涂層場(chǎng)發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西北大學(xué)，2010.

[4]翟春雪，張志勇，王雪文，等.鈦基納米金剛石涂層場(chǎng)發(fā)射陰極[J].光子學(xué)報(bào)，2007,36(1): 30-33.

[5]錢開(kāi)友.碳基薄膜材料的制備與場(chǎng)發(fā)射特性研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2004,18(5): 12-15.

[6]Zhang C Z,Tang Y,Li Y S,et al.Adhesion enhancement of diamond-like carbon thin films on Ti alloys by incorporation of nanodiamond particles[J].Thin Solid Films,2013,528(15):111-115.

[7]Yang Yanning,Zhang Zhiyong,Zhang Fuchun,et al.The field emission characteristics of titanium-doped nano-diamonds[J].Chinese Physics Letters,2012,29(1): 018103.

[8]Yan Jhih-Kun,Chang Li.Chemical vapor deposition of uniform and high-quality diamond films by bias-enhanced nucleation method[J].Thin Solid Films,2006,498(1-2):230-234.

[9]翟春雪.納米金剛石涂層場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)與性能研究[D].西安：西北大學(xué)，2008.

[10]Pfeiffer R,Kuzmany H,Knoll P,et al.Evidence for trans-polyacetylene in nano-crystalline diamond films[J].Diamond & Related Materials 2003,12(3-7): 268-271.

[11]元光，郭大勃，宋航，等.單顆粒CVD 金剛石的場(chǎng)發(fā)射[J].物理學(xué)報(bào)，2007,56(1): 143-146.

[12]翟海潮.粘結(jié)與表面粘涂技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[責(zé)任編輯 賀小林]

Study on Field Emission Characteristics of Hf-Doped and Ti-Doped Nano-Diamond

JIANG Shuo,YANG Yan-ning*,LI Wei-xia,BAI Yu-xuan,YANG LIU,ZHAO Fang-rui

(College of Physics & Electronic Information,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

Field emission characteristics of hafnium-doped and titanium-doped nano-diamond are studied. According to the different properties of metal hafnium and titanium,nano-diamond is mixed with Hf and Ti separately,and nano-diamond composite cathode samples on Ti substrate are prepared by electrophoresis,finally field emission characteristics are tested.It is found that compared with purified nano-diamond coating, field emission characteristics of Ti-doped nano-diamond improve to some extent,and the uniformity and stability are better,however,field emission characteristics of Hf-doped samples decrease.It is analyzed that these are related with the properties of metal Hf and Ti.

hafnium; titanium; nano-diamond; field emission characteristics

2015-03-12

延安大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(YD2010-04)、延安大學(xué)重點(diǎn)科研基金(YDZD2011-01)、2012年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210719026)、2014年延安大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目和2014年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410719023)資助

姜 碩(1992—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，延安大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院學(xué)生。 *通訊作者

O462.4；TN383+.1

A

1004-602X(2015)02-0077-03