纳米非晶碳膜表面氢吸附对其场致电子发射特性的影响

采用微波等离子体化学气相沉积系统在陶瓷衬底上制备了具有sp^2键价结构的纳米非晶碳膜。用Raman谱、XPS谱、SEM和XRD等手段分析了薄膜结构。样品经过多次场发射测试后I—U曲线趋于稳定，然后用氢等离子体处理使碳膜表面重新吸附氢。可以发现氢吸附后场发射电流增加，相应的F—N直线的斜率减小。根据F—N理论，F—N直线的斜率正比于Ф^（3/2）β，其中Ф是表面功函数，β是取决于形貌的场增强因子，由SEM观察可知氢吸附后样品的形貌没有变化，F—N直线的斜率减小意味着功函数的降低，即氢吸附可降低sp^2碳膜表面的功函数从而提高了场发射电流。为了验证以上推论，采用密度泛函理论计算了氢原子和氢离子吸附对sp^2碳表面功函数的影响。作为近似，用石墨（0001）面来代表sp^2非晶碳，计算了氢原子和氢离子在石墨（0001）表面不同的位置以1／2覆盖度化学吸附后石墨（0001）表面的真空能级、费米能级和表面功函数。计算结果显示氢原子和氢离子吸附后石墨（0001）表面的功函数可降低0．6和2．5eV左右。这和从实验中得到的结论基本一致。

Effect of Hydrogen Chemisorption on the Field Emission Property of Nano-Amorphous Carbon Film