[发明专利]一种场电子发射阴极的制备方法

说明书

本发明涉及一种场电子发射阴极的制备方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成纳米晶金刚石薄膜；将形成有纳米晶金刚石薄膜的衬底在含氧气氛中退火，从而得到金刚石纳米毛刺结构；以及将所述金刚石纳米毛刺结构的表面处理为氢终端。本发明方法可制备具有纳米级密排结构的纳米晶金刚石薄膜，该薄膜生长速率快，并且利用该薄膜通过高选择比氧化反应可容易地获得大长径比、高密度的金刚石纳米毛刺结构，其可大大提高场增强因子。本发明方法中的高选择比的氧化反应使得金刚石消耗量小。另外，本发明方法无需图形化掩膜工艺，因此相关设备和工艺简单，可大大降低加工成本。

技术领域

本发明涉及场电子发射领域，具体涉及一种场电子发射阴极的制备方法。

背景技术

场电子发射是一种冷阴极发射，相比于需要将金属升温到1000℃以上的热电子发射，场电子发射在室温下工作并能够实现电流的稳定发射，其效率更高、功耗更低、响应速率更快并且易于小型化，在当今数字化、微型化、集成化的科技大趋势中应用场景广泛且潜力巨大。除传统金属材料外，半导体材料如硅、氮化铝、金刚石等，以及多种新型纳米材料的场电子发射的特性和机理都已有大量工作报道。

平面结构限制了阴极材料的场增强因子，提高的方法是利用尖端的局域场增强效应。目前，用于实现这种金刚石场电子发射尖端的加工方法通常采用图形化掩膜阻挡的选择性刻蚀，即微纳加工工艺当中常见的反应离子刻蚀(RIE)。一方面，由于RIE工艺中金刚石去除速率快，基材多采用单晶或者多晶金刚石。另一方面，相关工艺研发集中在不同的掩膜材料，例如光刻胶、铝和纳米颗粒如SiO₂纳米小球等；以及不同刻蚀辅助气体，例如CF₄、SF₆以及惰性气体如氩气和氮气等。最终实现的尖端主要是以锥状、棒状为主的微米、亚微米级大长径比金刚石阵列。因此，虽然RIE制备的金刚石场电子发射阵列结构的场发射性能良好，但对基材质量要求苛刻，同时工艺成本较高且可控性不够理想，而高昂的成本一向是金刚石实用化的主要阻碍之一，因此不利于大规模应用开发。

发明内容

本发明的目的是克服上述至少一个技术问题，提供一种场电子发射阴极的制备方法。

为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。

一种场电子发射阴极的制备方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成纳米晶金刚石薄膜；

将形成有纳米晶金刚石薄膜的衬底在含氧气氛中退火，从而得到金刚石纳米毛刺结构；以及

将所述金刚石纳米毛刺结构的表面处理为氢终端。

与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

1.本发明方法可制备具有纳米级密排结构的纳米晶金刚石薄膜，该薄膜生长速率快，并且利用该薄膜通过高选择比氧化反应可容易地获得大长径比、高密度的金刚石纳米毛刺结构，其可大大提高场增强因子。

2.本发明方法中的高选择比的氧化反应使得金刚石消耗量小。

3.本发明方法无需图形化掩膜工艺，因此相关设备和工艺简单，可大大降低加工成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1-图3为本发明实施例1提供的制备方法中每步所得结构的示意图。

图4和图5为本发明实施例1提供的制备方法中每步所得结构的扫描电子显微镜图。

图6为本发明对比例1所得结构的扫描电子显微镜图。

附图标记说明