ナノチューブ内蔵カーボン薄膜の創製と冷電子放出特性評価

含纳米管碳薄膜的制备及冷电子发射性能评价

基本信息

批准号：
01J01081
负责人：
生野孝
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

今日の新材料研究分野において、ナノ構造薄膜の研究開発が盛んに行われている。特に、超微細中空構造をもつカーボンナノチューブ(CNT)は、先鋭形状・物理的・化学的安定な特長を持つことから、次世代薄型フィールドエミッションディスプレイ(FED)用電子源材料やナノエレクトロニクスデバイスへの応用が期待されている。本研究では、独自で考案したナノチューブ内蔵カーボン薄膜成膜装置を用いて作製した薄膜の基礎物性と、電界電子放出特性との相関を解析し、FEDの実現を目指すことを研究目的とした。さらにFEDへ応用するため、CNTの直径・密度制御を行った。また、CNTの成長機構を調べるため、CNT薄膜成膜中にプラズマプロセスその場観察を行い、プラズマ状態とCNT成長形態との相関について調べた。新装置によるCNT薄膜の創製においては、カソードに高周波電源を装備し、アノード-カソード電極間距離が可変できる高周波プラズマ化学気相成長法を開発し、メタンガスを原料に、CNT薄膜を作製することに成功した。作製したCNT薄膜は、基板に対して垂直方向に配向しており、直径及び長さがほぼ揃っていた。さらに、垂直配向CNT成長中に酸素ガスを添加することで、CNTの密度・直径・結晶性が変化することがわかった。メタンガスに酸素ガスを5〜30%添加した場合、垂直配向CNTの数密度、直径、長さが制御できることを見出した。少量添加した場合は、数密度が大幅に増加し直径が小さくなった。結晶性も大幅に改善した。そして、酸素添加量の増加に伴い、長さが長くなった。しかし、30%を超える酸素量を添加すると、垂直配向CNTの成長は確認されなかった。酸素の添加効果を調べるため、プラズマプロセスにおける、プラズマ発光、自己バイアスを測定したところ、酸素添加により、成長プロセスのプラズマ中には、COおよびOHラジカルが存在することがわかった。酸素添加なしでは、CHラジカルが支配的である。そして自己バイアスは酸素添加量に関わらず一定であった。これらの結果から、COラジカルが成長前駆体として働き、結晶性に悪影響を及ぼすプラズマ中残留水素もしくはCHに含まれる水素はOHラジカルとなり、結晶性を向上させたと考えられる。以上の結果のように、本研究では、FED実現に向けて有意義な知見と、成長機構解明への知見が得られた。

在当今的新材料研究领域，纳米结构薄膜的研究和开发正在积极进行。特别是，具有超细空心结构的碳纳米管（CNT）具有尖锐的形状，并且物理和化学稳定，使其成为下一代薄场致发射显示器（FED）和纳米电子器件的电子源材料的理想应用。预期的。本研究的目的是分析使用我们设计的含纳米管碳薄膜沉积装置制造的薄膜的基本物理性质与场电子发射特性之间的相关性，并旨在实现FED。此外，为了将其应用于FED，我们控制了CNT的直径和密度。此外，为了研究CNT的生长机理，我们在CNT薄膜形成过程中进行了原位等离子体过程观察，并研究了等离子体条件与CNT生长形貌之间的相关性。为了使用新设备制造CNT薄膜，我们开发了一种高频等离子体化学气相沉积方法，其中阴极配备有高频电源，阳极和阴极电极之间的距离可以变化，我们决定以甲烷气体为原料制造碳纳米管薄膜取得成功。制备的CNT薄膜垂直于基底取向并且具有大致相同的直径和长度。此外，还发现在垂直排列的碳纳米管生长过程中添加氧气会改变碳纳米管的密度、直径和结晶度。我们发现，当向甲烷气体中添加5%至30%的氧气时，可以控制垂直排列的碳纳米管的数量密度、直径和长度。当少量添加时，数密度显着增加，直径减小。结晶度也显着提高。长度随着添加的氧气量的增加而增加。然而，当添加超过 30% 的氧气时，没有观察到垂直排列的 CNT 的生长。为了研究添加氧气的影响，我们测量了等离子体过程中的等离子体发射和自偏压，发现由于添加氧气，在生长过程中等离子体中存在CO和OH自由基。在没有氧加成的情况下，CH自由基占主导地位。无论添加的氧气量如何，自偏压都是恒定的。从这些结果可以认为，CO自由基起到生长前驱体的作用，对结晶性产生不利影响的等离子体中残留的氢或CH中所含的氢变成OH自由基，从而改善了结晶性。如上结果所示，本研究为FED的实现和阐明生长机制提供了重要的知识。