單晶硅基LaB6薄膜的磁控濺射制備工藝及生長(zhǎng)機(jī)制.pdf

1、LaB6具有良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，具有可恒定地維持一個(gè)活性的陰極表面，是作為陰極發(fā)射體的理想材料。大尺寸LaB6棒狀陰極制備工藝比較困難，大面積的LaB6多晶薄膜則更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)LaB6薄膜的研究主要以金屬玻璃、聚合物等為基體，以探求LaB6薄膜的發(fā)射性能及光學(xué)性能，對(duì)LaB6薄膜作為場(chǎng)發(fā)射平板顯示器用電子發(fā)射極的研究較少。單晶Si是作為基體研究薄膜最理想的材料，在Si基體表面制備出取向一致的LaB6薄膜是制作平面

2、和尖錐場(chǎng)發(fā)射器件的基礎(chǔ)。而在不同單晶晶向Si基體上制備LaB6薄膜的空白凸現(xiàn)出基礎(chǔ)研究的必要性。
　　 本論文利用磁控濺射法在(111)單晶晶向Si基片上制備出LaB6薄膜，并系統(tǒng)研究了濺射功率、氬氣氣壓、基片偏壓、基片溫度和濺射時(shí)間對(duì)LaB6薄膜沉積速率、晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響；在此基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝參數(shù)，制備出結(jié)晶度高的LaB6薄膜；分析了退火溫度對(duì)LaB6薄膜分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度的影響；對(duì)不同單晶晶向Si(111)和Si(100)基

3、底上制備的LaB6薄膜元素組成、晶體結(jié)構(gòu)和組織形貌進(jìn)行了分析；并系統(tǒng)研究了不同工藝參數(shù)下制備LaB6薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度、納米硬度及彈性模量、導(dǎo)電性能；最后初步探討了LaB6薄膜的高溫抗氧化性。
　　 研究結(jié)果表明，濺射功率為44 W，氬氣氣壓為1.0 Pa，基片偏壓為-100 V，基片溫度為400℃時(shí)制備的LaB6薄膜表面平整，結(jié)構(gòu)致密，結(jié)晶度最高且LaB6(100)晶面發(fā)生明顯的優(yōu)生生長(zhǎng)。濺射時(shí)間超過20 min時(shí)，薄膜出現(xiàn)

4、LaB6晶體結(jié)構(gòu)，衍射峰的峰形寬化且彌散，結(jié)晶度低；隨著濺射時(shí)間的增加，XRD衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，結(jié)晶度提高；LaB6薄膜呈柱狀生長(zhǎng)，生長(zhǎng)方向垂直于基底的方向，LaB6薄膜與基底之間沒有化學(xué)反應(yīng)以及化合物的形成。
　　 研究了不同退火溫度對(duì)制備LaB6薄膜的結(jié)晶度影響。400℃保溫1 h退火處理后薄膜開始由非晶向晶體轉(zhuǎn)變，但只是部分轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)aB6晶體。500℃退火處理后的薄膜結(jié)晶度高，顆粒較小，表面平整，薄膜LaB6(110)面

5、有擇優(yōu)生長(zhǎng)趨勢(shì)。退火溫度繼續(xù)升高到600℃時(shí)，LaB6薄膜的衍射峰寬化而彌散，結(jié)晶度降低，顆粒異常長(zhǎng)大、團(tuán)聚。
　　 分析了不同單晶晶向Si(111)和Si(100)基底對(duì)LaB6薄膜晶體結(jié)構(gòu)、元素組成和組織形貌的影響。結(jié)果表明，不同單晶晶向Si(111)和Si(100)基底上制備的薄膜LaB6(100)晶面均發(fā)生明顯的優(yōu)生生長(zhǎng)，Si(111)基底上制備的LaB6薄膜結(jié)晶度更高；不同晶向單晶Si(111)和Si(100)基底上制

6、備的LaB6薄膜的La和B的原子比分別為為1:4.12和1:2.75，大于理論比值1:6；單晶Si(111)基底上制備的LaB6薄膜在214 cm-1、685 cm-1、1100 cm-1和1242cm-1處共有四個(gè)拉曼散射峰，分別與T1v、T2g、Eg和A1g聲子相對(duì)應(yīng)；LaB6薄膜的拉曼峰形相對(duì)于微米粉末發(fā)生寬化，與LaB6晶格的畸變或內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)。
　　 高分辨電鏡結(jié)果顯示，LaB6薄膜主要為多晶結(jié)構(gòu)，但存在非晶成分。薄膜

7、存在LaB6(100)和LaB6(110)晶面，晶格產(chǎn)生了不同程度的晶格畸變，其晶面間距與其微米材料的晶面間距存在差值。在Si(111)和Si(100)基底上制備的薄膜均以LaB6[100]晶向?yàn)閮?yōu)先生長(zhǎng)方向。
　　 LaB6薄膜與基體間有良好的結(jié)合力，可達(dá)到最大值17.12 N(濺射功率：44 W，氬氣氣壓：1.0 Pa，基片偏壓為：100V，基片溫度：400℃，濺射時(shí)間：90 min)。LaB6薄膜的荷載一位移曲線均平滑、無