提升場發射特性之相關研究

a. 改變形貌

鑽石薄膜常用來作為場發射陰極材料，因此，有研究發現對鑽石薄膜改 變通入氣體的流量並施加偏壓，藉由離子轟擊可以改變鑽石薄膜之結構形 狀。假使材料出現尖端，在尖端容易累積電荷相對地來說在尖端就擁有較高 的電場，容易將電子發射出去。Wang等[65]發現使用熱線圈化學氣相沉積系 統(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)控制甲烷與氫氣流量比為 1.5：98.5，並且施以一負偏壓350 V，對鑽石薄膜離子轟擊4小時，可以形成 尖錐狀的鑽石結構，如圖2-6所示。

圖2-6 錐狀之鑽石結構[65]

Zou等[66]利用反應性離子蝕刻系統(reactive ion etching, RIE)控制流量 氬氣:氬氣+氫氣為5 %、45 %、75 %，並施以一偏壓400 V蝕刻鑽石薄膜6~9 分鐘，依照氬氣與氫氣的濃度比例可以成長出不同形狀的鑽石尖錐狀結構，

如圖2-7所示。圖2-8為RIE蝕刻鑽石薄膜過程示意圖。

圖2-7 不同氬氣與氫氣濃度下蝕刻的鑽石薄膜：(a)處理前；(b) 5 %；(c) 45

%；(d) 75 % [66]

圖2-8 RIE蝕刻鑽石薄膜示意圖[66]

b. 電漿處理

Sung等[67]利用氫電漿對氧化銅奈米線作處理，在研究中氧化銅奈米線 表面產生變化，由X射線光電子能譜圖可得知，962 eV處的峰值逐漸消失，

Cu 2p3/2之峰值逐漸右移，代表氧化銅奈米線被氫電漿作用後表面會逐漸轉 變成銅，如(2-6)式所示[68]

CuO + H2 Cu + H2O (2-6)

隨著氫電漿的處理時間增加，場發射特性逐漸提升，即起始電場(當電 流密度達到1×10^-6 A/cm²時，所需提供之電場)逐漸降低，如圖2-10所示。由 於銅與氧化銅之功函數非常相似，故此實驗方法提升場發射的關鍵在於氫電 漿可對奈米線表面做清潔的效果，移除表面的雜質，進而提升場發射的效率。

圖2-9 氧化銅奈米線氫電漿後處理之XPS分析圖[67]

圖2-10 氧化銅奈米線氫電漿後處理之場發射特性圖[67]

Cheng等[69]同樣是利用高密度的氫電漿對矽奈米線作乾蝕刻，研究發 現經由氫電漿蝕刻後矽奈米線之功函數逐漸降低，因此矽奈米線的場發射特 性隨著蝕刻時間的增加而使起始電場降低，如圖2-11所示。

Lee等[70]利用感應耦合電漿系統(inductively coupled plasma, ICP)，通入 氬氣以及氫氣對氧化鋅薄膜做電漿處理，並且在做電漿處理前先對氧化鋅薄 膜退火，目的在於改善氧化鋅薄膜的結晶。此研究發現氧化鋅薄膜的電傳導 特性經由電漿處理後皆有大幅地提升，如圖2-12 I-V曲線圖所示。

圖2-12 氧化鋅薄膜電漿後處理之I-V特性曲線圖[70]

c. 複合結構

Tzeng等[71]利用兩種材料結合以提升場發射特性，此研究將極細之奈米 鑽石(ultra-nanocrystalline diamond, UNCD)成長在垂直的矽奈米線(silicon nanowire, SiNW)表面，量測其場發射特性隨著成長極細之奈米鑽石之時間增 加而提升。圖2-13(a)、(b)為使用無電沉積金屬(electroless metal deposition, EMD)蝕刻出之矽奈米線；圖2-13(c)、(d)為UNCD/SiNW結構表面形貌，由

圖2-13 矽奈米線之SEM圖：(a)側視圖；(b)上視圖；(c)成長1小時之 UNCD/SiNW；(d)成長3小時之UNCD/SiNW [71]

圖2-14 UNCD/SiNW之場發射特性圖[71]

Yang等[72]提出ㄧ個研究，在非晶(amorphous)的鑽石薄膜上成長氧化鋅 奈米線，此研究成長氧化鋅奈米線的步驟不使用金屬作為觸媒層，而是採用 熱化學蒸氣傳導凝聚(chemical vapor transport and condensation, CVTC)的方 式直接成長氧化鋅奈米線。圖2-15為結構之側視圖，可以清楚觀察到氧化鋅 在非晶鑽石表面聚集後才逐漸向上成長變成尖狀，並且由圖2-16可得知氧化 鋅奈米線/非晶鑽石薄膜複合結構的起始電場比單層非晶鑽石薄膜低，結果 可證實此複合結構有提升場發射特性之效果。

圖2-15 氧化鋅奈米線/非晶鑽石薄膜結構之側視圖[72]

圖2-16 氧化鋅奈米線/非晶鑽石薄膜結構之場發射特性圖[72]