第五章 鈀氫化原理製作奈米裂縫與 SCE 元件
5.5 溫度變化與裂縫寬度的關係
氫化製程參數A、E和F如表5.2所示。參數E和F的氫化條件除了吸氫時 的溫度分別為3000C和250C外，其於皆與參數A相同，且這兩者氫化製程參 數也都可以使鈀薄膜完全斷裂以作為SCE元件，其裂縫掃描式電子顯微鏡影 像圖如圖5.7所示。由圖5.7可以看出裂縫成型的寬度並不均勻，參數E的裂 縫寬度約為90 nm ~ 110 nm且呈現鋸齒狀分佈，而參數F則約為20 nm ~ 40 nm。由參數A、E和F可以發現相同壓力下吸氫的溫度越高裂縫寬度越大，
這是由於裂縫成型的機制牽涉到鈀原子的遷移，而溫度越高鈀原子的擴散 速率越快，因此可以得到較大的裂縫寬度。詳細的裂縫成型機制將會在5.6 節中討論。
本實驗結果發現，藉著氫化製程中溫度的變化可以控制裂縫成型的寬 度，在相同氫氣壓力下較低的溫度可以得到較小的裂縫寬度。綜合5.4節的 結果，低溫低壓下裂縫寬度較小，而經過多次實驗嘗試之後目前可使鈀薄 膜完全斷裂的最小奈米裂縫寬度為參數F的20 nm ~ 40 nm。
表5.2 氫化製程參數A、E和F
5.6 奈米裂縫成型機制討論
ε voiding model 來描述，它是一個孔洞成核與成長的機制[5-5]。孔洞的成長 與許多因素相關包括應力、材料機械性質、原子擴散力及溫度。參數A、E 和F經過不同操作溫度下的氫化製程後皆由α相完全轉變成β相，推測此三
個試片具有類似的材料性質，因此隨著溫度升高裂縫寬度就越大可歸因於 孔洞在較高的溫度下成長的速率較快，因而產生較大的裂縫寬度。
圖5.11為三維靜態應力分布的模擬結果，可以清楚的觀察到應力較大的 區域沿著階梯區域底部直到鈀薄膜的兩端，其方向與裂縫成型方向一致。
同樣的，應力較小的區域位於階梯上方部份，與突起物產生的位置完全吻 合。除此之外，鈀薄膜階梯區域中間的部分應力最集中，而往兩邊逐漸減 弱，這個現象顯示應力將由中間向兩邊釋放，因此有可能造成鈀薄膜兩端 在未形成裂縫前應力便已完全釋放的結果，進而導致鈀薄膜無法完全斷裂 如圖5.6所示。
圖5.8 利用FIB於參數F奈米裂縫上蝕刻溝槽之掃描式電子顯微鏡影像圖
圖5.9 ANSYS模擬初始的二維結構示意圖
(a)
(b)
圖5.10 模擬求解後的二維靜態應力分布圖 (a) SCE結構全貌，與(b) 階梯區域放大圖
(a)
(b)
圖5.11 模擬求解後的三維側視靜態應力分布圖 (a) SCE結構全貌，與(b) 階梯區域放大圖
5.7 場發射特性的研究
原子完全脫附。將參數E和同樣製程條件但沒有經過3300C放氫30 min處理 (吸氫完直接將試片取出)的鈀薄膜試片作XRD分析，其X光繞射圖譜如圖 5.13所示。由圖5.13(a)可以看出未作3300C放氫處理的試片其鈀(111)譜峰往 低角度偏移，證明了氫化鈀結構仍然存在而造成晶格常數膨脹。同時可以 觀察到鈀(111)譜峰並沒有呈現高斯分佈，將圖形作curve fitting分析如圖 5.13(b)，發現此時有兩相共存分別為氫化鈀(低角度譜峰)與鈀(高角度譜 峰)。相反的，經過3300C放氫30 min處理後的鈀(111)譜峰沒有任何變化，可 見此時氫化鈀結構已不存在而變回原來的金屬鈀結構，Irena Efremenko[5-7]
也曾表示氫在鈀晶格內的熱脫附溫度約在800C ~ 1200C之間。從以上討論可 以說明氫化製程後的場發射電子發射源並非氫化鈀而是純鈀金屬，不會發 生4.4節中氫化鈀影響場發射特性的現象。
利用氫化製程不僅成功製作SCE所需之奈米級裂縫也得到良好的場發 射量測結果，參數E、A和F的驅動電壓分別為90 V、55 V與41 V。此外，氫 化製程中利用高溫將氫原子完全脫付，得到純鈀金屬的電子發射源，增加 了場發射電流的穩定性。
(a)
(b)
圖5.12 氫化製程參數F、A和E之場發射量測數據 (a) I-V curve ，與 (b) F-N Plot
(a)
(b)
圖5.13 鈀薄膜經過氫化製程後的XRD圖譜
(a) As deposited、3300C脫氫和未作脫氫處理之鈀(111)譜峰，與 (b) 未作脫氫處理之鈀(111)譜峰的curve fitting曲線
5.8 三極體點亮螢光板測試 500μm，固定閘極電壓為175 V並緩慢增加陽極電壓，當陽極電壓到達2300 V 的時候，螢光板上開始出現亮點如圖5.16所示。由圖5.16發現雖然每個SCE
圖5.14 點亮螢光板之三極體結構示意圖
圖5.15 實際點亮螢光板之三極體結構圖
圖5.16 螢光板點亮影像圖
5.9 結論 大，這是由於奈米裂縫其成長動力學可用 stress induced voiding model 來描述，它是一個孔洞成核與成長的機制，而溫度越高鈀原子擴散速率
鈀薄膜兩端向階梯區域集中，這可以解釋為何裂縫只會在此區域發生。
而鈀原子因為階梯區域之應力梯度的存在，由應力較大的部分往應力較 小的部份遷移。原子遷移後留下空孔，空孔聚集成孔洞，孔洞再繼續成 長合併導致最後鈀薄膜完全的斷裂。在斷裂的過程中，鈀原子不斷的往 階梯上方應力最小的區域遷移，最後堆積成突起物。
6. 由 ANSYS 的三維靜態應力分布的模擬結果，可以清楚的觀察到應力較 大的區域皆為本實驗中裂縫成型的位置；應力較小的區域亦為突起物產 生的位置，與二維靜態應力分布模擬結果完全吻合。除此之外，鈀薄膜 階梯區域中間的部分應力最集中，而往兩邊逐漸減弱，這個現象可以解 釋為何部份鈀薄膜的邊緣無法完全斷裂。
7. 控制 SCE 元件表面與陽極的距離為 500μm，在閘極電壓 175 V 和陽極 電壓為 2300 V 的條件下，成功的將場發射電子抽引至陽極並點亮螢光 板。可見利用鈀氫化原理所製作的 SCE 元件可以實際應用在表面傳導 電子發射顯示器上。
第六章 未來展望
1. 未來將嘗試利用TEM直接分析裂縫側壁的材料特性，如表面形貌、晶格 排列等。
2. 除了氫電漿表面改質之外，還要繼續探討不同的電漿處理，如氧電漿或 氬電漿，對SCE元件場發射特性的影響。
3. 鈀氫化製作奈米裂縫的實驗中，藉著調控不同的氫氣壓力和操作溫度，
來追求更小且可以使鈀薄膜完全斷裂的奈米裂縫。
4. 利用ANSYS模擬不同結構下的應力分佈，以得到最佳的鈀氫化結構參 數，進而再將模擬的結果實際導入實驗中，期望能製備出裂縫寬度小於 10 nm的SCE元件。
5. 將SCE元件設計為圖案的點狀陣列，並作點亮螢光板的測試。
第七章 參考文獻
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