專利名稱：含磷類金剛石碳復合薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有一定的場發(fā)射性能的碳膜的制備方法，更具體地涉及一種含
磷類金剛石碳復合薄膜的制備方法。
背景技術：
場發(fā)射器件在平板顯示或其它類型的顯示系統(tǒng)中應用前景廣闊，而且扁平陰極的 場發(fā)射器件優(yōu)于需要微觸點型結(jié)構的陰極。因此，在該領域需要一種可在這種扁平陰極上 應用的有效的場發(fā)射材料。 早期的場發(fā)射器件是微小尖端形狀的金屬，由于制備步驟復雜，并且金屬具有較 高的逸出功，致使發(fā)射的閾場較高，所以目前金屬發(fā)射器件已逐漸被淘汰。Himpsel等人發(fā) 現(xiàn)金剛石具有負電子親和勢，使得薄膜具有較低的逸出功，故金剛石材料有望成為冷陰極 場發(fā)射器件。但是其禁帶寬度卻較大(約5.5eV)，致使其發(fā)射電流較小。另外金剛石薄膜 的制備條件苛刻，難于大面積沉積，限制了其應用。類金剛石(diamond-like carbon,DLC) 碳薄膜制備成本低，易于摻雜和變更，可以在較低溫度下進行大面積沉積，并且對襯底材料 的限制較小。近年來，人們對DLC薄膜的場發(fā)射研究傾注了極大的力量，如2005年4月6日 中國發(fā)明專利申請公開說明書CN1196156C就是利用碳膜作為場發(fā)射器件。DLC薄膜屬于半 導體類型的碳材料，同樣具有低的電子親和勢。為了提高場發(fā)射電流密度，可以通過摻入其 他元素來改變碳膜的區(qū)域鍵合，進而改善碳膜的場發(fā)射性能，同時減少薄膜的內(nèi)應力，并提 高膜基結(jié)合力。磷作為N型摻雜劑復合到碳膜中，對于拓展碳膜作為場發(fā)射器件及電極材 料的應用都具有重要的作用。然而，類金剛石碳薄膜的制備仍然集中在氣相沉積技術方面， 由于氣相沉積設備昂貴，條件較為苛刻，摻雜元素種類受限，這些因素都嚴重制約著類金剛 石碳薄膜的進一步發(fā)展和應用。 與傳統(tǒng)的氣相沉積技術相比液相法制備DLC膜具有如下優(yōu)點(l)設備簡單，能量 和原料來源容易，易于大面積制備；(2)繞鍍性好，可以在任何復雜形狀的底材上沉積；(3) 液相制備技術易于進行各種元素的摻雜，從而有效地降低膜中的內(nèi)應力，提高膜與基底的 結(jié)合強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是克服傳統(tǒng)氣相沉積制備類金剛石薄膜技術的不足之處，提 供一種工藝簡單、可在溫和條件下制備類金剛石薄膜材料方法，并且磷元素的摻入使膜層 具有良好的場發(fā)射性能。 在本發(fā)明中，采用液相電化學沉積方法合成含磷類金剛石碳復合薄膜，目的是利 用電化學沉積方法所具有的設備簡單、大氣環(huán)境、沉積溫度低、成膜均勻、重復性好等特點。 該方法為沉積含磷類金剛石碳納米復合薄膜提供了一種新的思路，特別是復合薄膜具有良 好的場發(fā)射性能，使得類金剛石薄膜的應用范圍擴大，同時為液相合成類金剛石薄膜提供 一定的理論基礎。
—種含磷類金剛石碳復合薄膜的制備方法，其特征在于該方法將三苯基膦的甲醇 溶液作為電解液，在電解反應器中，調(diào)節(jié)電解液的溫度在30 45t:間，將單晶硅片固定在 石墨片上作陰極，石墨作陽極，采用直流高電壓700 1000V作用，沉積時間為2 10小時
得到復合薄膜。 本發(fā)明的電解液中三苯基膦與甲醇的摩爾比為1 : 800-1500。 本發(fā)明中所涉及的原料為甲醇和三苯基膦，其中在兩極之間的甲醇和三苯基膦在
高電壓作用下會發(fā)生價鍵斷裂，生成一定數(shù)量的甲基和磷等離子體，遷移到陰極，進而在基
材上沉積形成網(wǎng)絡結(jié)構的含磷類金剛石復合薄膜。本發(fā)明中所制備薄膜的結(jié)構用拉曼光譜
(Raman)、紅外光譜(FTIR) 、 X-射線光電子能譜(XPS)和原子力顯微鏡(AFM)進行了表征。
Raman光譜圖出現(xiàn)明顯的D峰和G峰，呈現(xiàn)典型的類金剛石碳結(jié)構特征。FTIR光譜圖中在
2800 3000cm—1范圍內(nèi)出現(xiàn)甲基和亞甲基的特征振動吸收峰，表明得到的類金剛石碳膜是
含氫的。X射線光電子能譜分析發(fā)現(xiàn)薄膜表面磷原子主要以雙鍵的形式與碳結(jié)合，而碳原子
的結(jié)合能與相同沉積條件下得到的純類金剛石碳膜中碳原子的結(jié)合能有所不同，表明薄膜
中磷與碳原子發(fā)生化學鍵合。結(jié)構表征表明，該法在單晶硅片上成功制備出了含磷類金剛
石碳復合薄膜。 電化學方法制備的含磷類金剛石復合薄膜具有很好的場發(fā)射性能，有望作為良好 的電子器件，例如微電極材料、冷陰極材料等。
具體實施例方式
為了更好的理解本發(fā)明，通過實例進行說明。
實施例1 : 在反應器中按三苯基膦與甲醇的摩爾比為i : iooo配制三苯基膦的甲醇溶液，通
過調(diào)節(jié)加熱水浴的溫度使電解液的溫度恒定為35°C。將單晶硅片固定在石墨片上作陰極， 石墨片作為陽極。施加800V的直流電壓作用于兩電極，保持電壓不變，沉積5小時。
對制備的含磷類金剛石復合薄膜進行場發(fā)射性能測試，復合薄膜具有良好的場發(fā) 射性能。與純類金剛石薄膜相比，復合薄膜的開啟電壓從12V/ ii m降為9. 5V/ ii m，場發(fā)射電 流密度從12. 6 ii A/mm2增大為45. 7 y A/mm2。
實施例2: 在反應器中按三苯基膦與甲醇的摩爾比為1 : 800配制三苯基膦的甲醇溶液，通 過調(diào)節(jié)加熱水浴的溫度使電解液的溫度恒定為45°C。將單晶硅片固定在石墨片上作陰極， 石墨片作為陽極。施加1000V的直流電壓作用于兩電極，保持電壓不變，沉積10小時。
實施例3: 在反應器中按三苯基膦與甲醇的摩爾比為l : 1500配制三苯基膦的甲醇溶液，通 過調(diào)節(jié)加熱水浴的溫度使電解液的溫度恒定為40°C。將單晶硅片固定在石墨片上作陰極， 石墨片作為陽極。施加700V的直流電壓作用于兩電極，保持電壓不變，沉積2小時。
權利要求
一種含磷類金剛石碳復合薄膜的制備方法，其特征在于該方法將三苯基膦的甲醇溶液作為電解液，在電解反應器中，調(diào)節(jié)電解液的溫度在30～45℃間，將單晶硅片固定在石墨片上作陰極，石墨作陽極，采用直流高電壓700～1000V作用，沉積時間為2～10小時得到復合薄膜。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于電解液中三苯基膦與甲醇的摩爾比為 1 : 800-1500。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含磷類金剛石碳復合薄膜的制備方法。該方法將三苯基膦的甲醇溶液作為電解液，在電解反應器中，調(diào)節(jié)電解液的溫度在30～45℃間，將單晶硅片固定在石墨片上作陰極，石墨作陽極，采用直流高電壓700～1000V作用，沉積時間為2～10小時得到復合薄膜。復合薄膜具有良好的場發(fā)射性能。
文檔編號H01J1/30GK101736378SQ20081018221
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月22日 優(yōu)先權日2008年11月22日
發(fā)明者萬善宏, 王立平, 薛群基 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所