以金属钛为界面层的非晶金刚石薄膜多层材料、 制备方法及其用途 本发明是通过在基体材料与非晶金刚石薄膜(amorphous diamond:a-D)界面沉积一层金属钛(Ti)而制备的多层材料，通过一定的热处理工艺，使Ti与a-D薄膜之间形成一层TiC化合物，获得金属Ti与a-D薄膜之间良好的接触，并增强金属与a-D薄膜之间的结合力，提高了a-D薄膜的使用寿命，也增强了a-D薄膜在微电子学和平板显示器等新型功能器件中的应用。
近年来，场发射成为一个非常活跃的领域。国际上一致认为，场发射显示器在平板显示器市场具有广阔的前景和未来。和液晶显示器相比，场发射显示器具有高亮度、更为良好的视角效果、低功耗、大大缩小的尺寸、制作工艺的简单化，等等。为了早日实现场发射平板显示器的产业化，世界上一些发达国家投入了巨大的人力和物力，关键技术决不会公开发表。在场发射平板显示器中，冷阴极材料是核心部件。金属Mo和半导体Si常被用来作为场发射显示器冷阴极材料，但是它们各有不足之处，使其应用也受到了限制。随着场发射显示器的迅速崛起，这些传统的场发射冷阴极材料已经显得力不从心。由于金刚石和非晶金刚石薄膜具有很小的或者是负的电子亲和势，出色地化学稳定性和极高的硬度，等等，作为强有力的场发射冷阴极候选材料，受到人们的广泛注意(K.Okano,S.Koizumi,S.Ravi,P.Silva,and G.A.J.Amaratunga,Nature 381,140(1996)；J.Roberston,Thin Solid Films296,61(1997))。由于a-D薄膜可以在室温下大面积沉积于多种基体材料上(如玻璃、金属、合金等)，因而成本大大降低。到目前为止，已有多种方法可以制备a-D薄膜，其中真空磁过滤弧源沉积技术是一种理想的制备用于场发射冷阴极材料-a-D薄膜的新方法。由于薄膜中含有极高的sp3键(四面体键)含量(＞85％)，其电子场发射性能得到很大提高。但是，到目前为止，其电子发射的均匀性还不够理想，发射电流密度还不够高(N.S.Xu,Y.Tzeng,and R.V.Latham,J.Phys.D:Appl.Phys.26,1776(1993)；F.Y.Chuang,W.C.Wang,H.F.Cheng,C.Y.Sun,and I.N.Lin,J.Vac.Sci.Technol.B15,2072(1997))。获得良好的接触是寻求提高非晶金刚石薄膜冷阴极电子发射性能的有效途径(T.Tachibana,B.E.Williams,and J.T.Glass,Phys.Rev.B45,11968(1992))。作为电子输运的通道,基体材料和a-D薄膜之间的界面起着至关重要的作用。
本发明的目的是提供一种以金属钛为界面的非晶金刚石薄膜多层材料及其制备方法。就是在基体材料与a-D薄膜之间沉积一层金属Ti,或再经过一定的热处理工艺，以改善基体材料与a-D薄膜之间的接触，降低界面的势垒高度，也增强金属与a-D薄膜之间的结合力。使a-D薄膜的电子场发射性能得到显著改善。本发明的另一目的是提供上述多层材料的用途，即可用作微电子和平板显示器等新型功能器件的部件。
本发明提供一种以金属钛为界面的非晶金刚石薄膜多层材料，该材料是在基体材料与a-D薄膜之间沉积一层金属Ti，还可以使上述多层材料经过热处理后，在金属Ti和a-D薄膜之间生成一层TiC化合物。所述的金属Ti的厚度为10-1000μm,a-D薄膜的厚度为10-5000nm。所述的基体材料是玻璃、金属、合金、陶瓷、半导体等材料。
本发明多层材料的制备方法如图1所示。如图中步骤(a)所示，采用常用的薄膜沉积的方法，如电子束蒸发、离子束溅射等方法，把金属Ti沉积在基体材料的表面，Ti的厚度为10-1000nm。基体材料可以是玻璃、金属、合金、陶瓷或半导体等材料。例如应用离子束辅助沉积技术，在超高真空条件下，采用能量为0-80KeV(最佳为30-50KeV)、束流密度为10-50μA/cm2的氙离子轰击衬底材料，通过电子束蒸发源把金属Ti沉积于基体材料上，沉积温度为室温至500℃，沉积速率为0.1-1nm/s,Ti表面的粗糙度不超过2nm。然后采用薄膜沉积的方法，把厚度约10-300nm的非晶金刚石薄膜沉积于Ti的表面，在沉积室中对样品进行原位退火，退火条件是：在室温至650℃下保温0.1-10小时，再冷却至室温。这样就制备成了经热处理的基体材料-金属钛-碳化钛-非晶金刚石薄膜多层材料。制备过程如图1所示，其中，1-基体材料；2-金属Ti；3-a-D薄膜；4-TiC。作为金属中最强的碳化物形成元素，Ti可以在界面与C发生反应生成TiC过渡层从而导致金属与a-D薄膜之间良好的接触，提高电子场发射性能。对于反应：
(1)来说，无论在室温下还是在较高的温度下，吉布斯自由能ΔG为负值，表明该反应可自发进行。随着温度的升高，C在Ti中的扩散速度逐渐增大，反应的速度也将加快。TiC过渡层的厚度将由退火温度和保温时间来确定。退火温度过高或退火时间过长，将影响a-D薄膜的性能。通常，退火温度为室温至650℃，保温时间为0.1-10小时。
本发明以金属钛为界面的非晶金刚石薄膜多层材料，结构简单、制备方法简便。而且该多层材料可用作微电子和平板显示器的部件。由于本发明的多层材料可以显著提高a-D薄膜的电子场发射性能，而且由于Ti的导电性能良好，本身可作为电极材料，所以本发明的多层材料可以用作场发射平板显示器的冷阴极材料。
图2是对本发明多层材料的电子场发射性能测试装置示意图。其中：1-基体材料；2-金属Ti；3-a-D薄膜；5-绝缘玻璃丝；6-荧光粉；7-氧化铟锡电极；8-透明玻璃片。图3是本发明多层材料及其对比材料电子场发射的电流密度-电场强度曲线，其中横坐标是电场强度(V/μm)，纵坐标是电流密度(mA/cm2)。
通过下属实施例有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例
对与a-D薄膜不同接触的多层材料的电子场发射性能进行了测试。场发射性能测试采用平面二极管结构，示意图如图2所示。性能测试在超高真空系统中进行。本发明的多层材料作为阴极(图1,2和3)。对比材料分别为：a-D/Si(a-D薄膜沉积于硅片上)，本发明未经热处理的a-D/Ti/Si(金属Ti沉积于硅片上，然后a-D薄膜再沉积于Ti上，Ti的厚度为40nm)，经430℃退火、保温0.5小时的a-D/Ti/Si。可以通过对氧化铟锡(图中6,7和8)阳极施加电压而产生电场。在一定的电场下，电子逸出薄膜表面，以一定的能量轰击荧光粉(5)，从而产生荧光。荧光的显示可直观地反映电子发射的均匀性。对上述经过热处理的a-D/Ti/Si冷阴极材料的电子场发射性能测试表明，在电场强度为14.3V/μm时，经退火的a-D/Ti/Si的电子场发射电流密度达到2.08mA/cm2；电场强度为26.4V/μm时，发射电流密度达到5.60mA/cm2。在对应电场强度下，其发射电流密度比a-D/Si高将近两个数量级，比没有经过热处理的a-D/Ti/Si高一个数量级。从a-D/Ti/Si冷阴极电子场发射的荧光显示来看，电子场发射的均匀性也得到了显著改善。对上述三种对比材料的电流密度-电场强度曲线如图3所示。