摘 要:金刚石具有很强的抗辐射性、耐腐蚀性能,被誉为发展前途广阔的第三代半导体材料。本文将从纳米金刚石半导体薄膜的研究现状出发,并详细分析了使用纳米金刚石薄膜压力传感器,并通过实验的方式制作与完成整个传感器的模拟实验。
关键词:金刚石 半导体
中图分类号:TQ13文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(c)-0002-01
金刚石薄膜在近年来的研究过程中,一直受到世界各国的重视,并且为了能够研究其主要的化学、物理属性,金刚石的研究在20世纪90年代形成了全球范围的研究热潮。从金刚石的研究过程中,人们发现金刚石具有高强度的硬度、弹性模量,而且具有抗辐射、抗高温、看腐蚀性等重要特征,在温度高达600摄氏度的环境下,金刚石还能够正常工作,因此金刚石薄膜传感器经常用作研制传感器用于宇宙飞船、核电站以及高温环境下控制电器等设备。
1 纳米金刚石半导体薄膜的研究现状
近年来,随着金刚石薄膜纳米晶金刚石薄膜以及称之为类金刚石薄膜的DLC等特殊材料的研制与制作方法以及工艺手法不断被广泛的研制出来,金刚石薄膜在电子电路中的使用越来越广泛。由于金刚石在天然环境中存在量很小,难以挖掘,当代利用化学相沉积(CVD)方法合成金刚石薄膜来取代天然金刚石的成为了一种替代方案,其与天然金刚石有着类似的硬度、导热性、电阻性等多种物理化学特性,并且金刚石所具有的宽禁带、高载流子迁移率等多种特性。因此他研制出来的电子压力传感器也于金刚石可以在高温、耐压、耐腐蚀等环境下正常工作。当前许多科学工作者纷纷对各种方法制备的金刚石材料的场发射性能进行了研究。
研究者对经过金刚石的电流中研究发现,在几百纳米以下的尺度范围内,纳米金刚石在获得低电场的作用下,能够发射出一种更均匀、更稳定的发射电流,此种电流能够在各种环境下保持稳定,因此使用此优质的纳米金刚石的电流特性,设计出的传感器就能够维护各种设备的稳定。
2 纳米金刚石半导体薄膜的制备方法
到目前为止,科学研究人员对于金刚石薄膜的获取已经取得了多种方法,并且尝试着往金刚石薄膜中添加入更多的材料,以便获得更多特殊性能。例如:在类金刚石研制中添加石墨,用于增加金刚石导电性等。本文为了能够保证纳米金刚石的精度与半导体薄膜的导电性,电阻性,在制备金刚石时添加部分石墨材料。
整个制备金刚石的过程采用微波等离子体CVD方式。微波等离子体CVD是一种无电极放电的等离子体增强化学气相沉积工艺,等离子体与沉积腔体没有接触,放电非常稳定,因此特别适合于高质量金刚石薄膜的制备。微波等离子体CVD的缺点是沉积速率较低,设备昂贵,制备成本较高。采用高功率微波等离子体CVD系统,也可实现金刚石膜大面积、高质量、高速沉积。但高功率设备价格极其昂贵,即使在国外愿意出此天价购买这种设备的人也不多。
主要的工艺流程为:纯化纳米金刚石原料,通过干燥、过滤等方式将金刚石原料颗粒大致区分均匀,然后加入纳米石墨,并使用高密度的丝网过筛,不能够加入比例计量的制浆剂乙基纤维素,通过130度的加热与搅拌,充分分散即可。
金刚石沉积制作完成之后,需要通过高温烧结炉设备等进行支持,在制版完毕之后,通过高温烧结炉的煅烧,在温度340摄氏度范围内(差异温度在10摄氏度),保温时间为10～15分钟,烧结时间为0～220分钟之后,整个纳米级金刚石薄膜制作就可以制作成功。
3 纳米金刚石薄膜的传感器模拟实验
完成纳米金刚石模板的制作之后,需要将整个纳米金刚石制作成半导体传感器进行测试,为了能够更好的实验出整个纳米金刚石半导体薄膜的性能,我们利用如下电路图进行测试当前半导体薄膜所体现出来电流、电压、电场的稳定性(图1)。
实验的过程是:在电压达到场致发射的条件下,若如上所叙述的传感器的阳极金属片受到一定的压力时,导致铜片发生微小的形变,则由场强公式E=U/d就可以计算出板间的距离变下且电压不变时场强变大,由场致发射的F-N方程可知,电流表的电流值会增大。因此电流的变化量则是可以计算出纳米金刚石薄膜的传感器对压力的测试反应。
4 纳米金刚石薄膜的传感器的应用
随着近年来的内金刚石半导体薄膜已经成为世界科技先进国家研究开发的热门材料之一。随着半导体领域的需求量需求越来越大,并且对半导体品质的要求越来越高,金刚石半导体薄膜已经取得了巨大的成就。目前,金刚石主要是应用于精密机械加工领域,据报道每年有6.4亿美元的销售额。并且应用领域正在进一步的扩大,在微电子、热沉、光学、声学等领域将得到更多的应用。
5 结语
本文主要研究采用纳米金刚石作为微尖,引入纳米金刚石薄膜作为导电晶界。用纳米金刚石作为发射体,纳米石墨作为导电媒质,制作了场发射薄膜。研究了该薄膜的制备工艺,得到了场致发射性能良好的优化工艺条件。建立了纳米金刚石薄膜场致发射模型,并从试验中研究纳米金刚石的发射特性,最终分析金刚石薄膜传感器的应用。
参考文献
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