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系統識別號 U0002-1801200710514000
中文論文名稱 鑽石薄膜的應用
英文論文名稱 Application of CVD diamond film
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 95
學期 1
出版年 96
研究生中文姓名 林伯霖
研究生英文姓名 Bo-Lin Lin
學號 693180423
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-01-15
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-林諭男
委員-張經霖
委員-陳洋元
中文關鍵字 鑽石薄膜  熱傳導  場發射 
英文關鍵字 CVD  diamond film  field emission 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本實驗是以ASTEX 5400鍍膜系統和IPLAS MPCVD System,在經過黃光處理的矽基板上,分別成長大小為2mm、4mm、6mm、8mm的MCD(Micro Crystalline Diamond)和UNCD(Ultra-nanocrystalline Diamond)之鑽石角錐(Diamond Tip),然而,使用NETZSCH LFA-457和Hot Disk來量測在不同成長參數下鑽石薄膜的熱擴散係數(Thermal Diffusivity)和熱傳導係數(Thermal Conductivity),最後,利用二極式(diode measurement)場發射量測法來量測鑽石角錐和鑽石薄膜(diamond film)間的場發射(Field Emission)效果上的差異。
在熱傳導係數的量測所得到的結果上可得知:其熱傳導係數會隨著厚度的增加而隨之遞增,且不同尺寸的鑽石角錐也會影響到其熱傳導係數的量測,其中以8mm的鑽石角錐所量測到的熱傳導係數是優於其他角錐尺寸的,然而,在摻雜硼方面,其熱傳導係數是優於未摻雜硼的熱傳導係數,但相較於文獻上的比對,其造成如此的真實原因如今還不是很明確。
於場發射的量測結果上,從實驗數據上可明顯的發現角錐的場發射效果遠優於薄膜面的場發射效果,透過β值(電場增強因子)的運算,角錐的β值均優於相同成長條件下的薄膜面的β值,另外,也可從量測數據上觀測可知:不同尺寸的鑽石角錐,存在著不同的場發射效果,從F-N圖則可清楚的比較出:2mm鑽石角錐的場發射效果均優於其他尺寸的角錐,具有較高的β值,相對的,存在較低的有效功函數。

英文摘要 Abstract: This study aims to grow diamond tips of MCD(Micro Crystalline Diamond) and UNCD(Ultra-nanocrystalline Diamond) in 2mm, 4mm, 6mm, and 8mm based on yellow light-processed silicon substrate with ASTEX 5400 and IPLAS MPCVD System, to measure the thermal diffusivity and thermal conductivity of diamond films which grow in different parameters with NETZSCH LFA-457and Hot Disk, and to measure the differences of effects of field emission between diamond tips and diamond films with diode measurement.
According to the results of the measurement of thermal conductivity, it is obtained that the thermal conductivity increases progressively with the increase of the thickness of diamond films; moreover, diamond tips in different sizes also influence the measurement of thermal conductivity. Among the diamond tips in various sizes, the diamond tips in 8mm are measured as possessing the highest thermal conductivity. As for the diamond tips in boron-doped cases, it is found that the boron-doped diamond tips possess higher thermal conductivity; this finding is inconsistent to similar experiments in other studies and the reason for causing the present result still needs to be discovered.
As for the results of the measurement of field emission, it is obtained that the effects of field emission of diamond tips are significantly better than those of the diamond films. Moreover, the βdata of diamond tips are also better than those of the diamond films which grow in identical situations. Furthermore, it is observed that diamond tips in different sizes have different effects of field emission. Plot F-N clearly shows that the diamond tips in 2mm have better effects of field emission than the diamond tips in other sizes, possess higherβdata, and comparatively obtain lower effective working functions.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖表目錄 V
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 鑽石薄膜的分類與特性 3
2.1.1鑽石薄膜的分類 3
2.1.2鑽石薄膜的特性 6
2.1.2.1 碳的性質(Carbon properties) 6
2.1.2.2 硬度(Hardness) 8
2.1.2.3 熱傳導係數(Thermal conductivity) 10
2.1.2.4 化學反應性(Chemical reactivity) 11
2.1.2.5 密度(Density) 11
2.1.2.6 光學性質(Optical properties) 11
2.1.2.7 電子特性 12
2.1.2.8 鑽石的半導體性質 13
2.1.2.9 鑽石的負電子親和力特性 16
2.2 鑽石薄膜的成長機制 20
2.2.1鑽石薄膜的成長原理與方法 20
2.3 電子場發射原理 23
2.4 熱擴散法(間接測量) 27
2.4.1熱脈衝法(Heat pulse method)原理 27
2.4.1.1 熱傳遞理論模式之推導 27
2.4.1.2熱擴散係數的物理模式 31
2.5 熱傳導法(直接測量) 33
2.5.1 瞬變平面熱源法原理 33
2.5.2 3w測量方法 35
第三章 實驗方法與分析 38
3.1鑽石薄膜之製程 38
3.1.1 鑽石薄膜成長系統 38
3.1.2 鑽石薄膜之製程步驟 38
3.1.2.1摻雜硼的鑽石薄膜的備製 45
3.1.3 超奈米鑽石薄膜(UNCD)之製程 45
3.1.3.1鍍膜步驟 45
3.2 鑽石角錐之製程 46

3.3 熱擴散法(Thermal Diffusivity Method)與瞬變平面熱源法(Transient Plane Source Method,TPS)之量測 48
3.3.1熱擴散法 49
3.3.2瞬變平面熱源法(Transient Plane Source Method) 51
3.4電子場發射(Electron Field Emission)之量測 53
第四章 結果與討論
4.1 熱傳導係數實驗數據 55
4.1.1 針對不同薄膜厚度對熱傳導係數的影響 56
4.1.2 硼的摻雜對熱傳係數的影響 64
4.1.3 不同尺寸的鑽石角錐對熱傳導係數的影響 70
4.2電子場發射實驗數據 72
第五章 結論 86
第六章 參考文獻 90
圖表目錄

表1-1 CVD鑽石特性參數 5
表2-1 不同種類的鑽石膜與類鑽石膜之特性比較 8
表2-2 天然鑽石、鑽石薄膜與DLC之性質比較 10
表2-3 Mohs number 13
表3-1 各成長條件表 42
表4-2 不同尺寸的鑽石晶粒成長於相同尺寸的鑽石角錐基板上對其熱傳導係數的影響 72
圖2-1 Diamond 7
圖2-2 Graphite 7
圖2-3 Thermal Conductivity of diamond and copper 11
圖2-4 由鑽石薄膜所製造的光學元件(a)Diamond lens (b)Diamond window 12
圖2-5 半導體之能帶圖 13
圖2-6 不考慮電場穿透的半導體之場發射示意圖 14
圖2-7 親和力之能階圖 17
圖2-8 未加電場下,金屬-真空能帶示意圖 23
圖2-9 外加電場下,金屬-真空能帶示意圖圖 24
圖2-10 一維暫態熱傳模式 27
圖2-11 熱傳遞法基本概念之示意圖 36
圖2-12 Jansen 量測薄膜熱傳導係數所使用之結構圖 36
圖2-13 3w 方法量測熱傳導係數之結構圖 37
圖3-1 ASTEX 5400 MPECVD 鍍膜系統 43
圖3-2 Iplas MPCVD系統 45
圖3-3(a) 鑽石角錐之製程(a) 47
圖3-3(b) 鑽石角錐之製程(b) 48
圖3-4 NETZSCH LFA 457 MicroFlash 50
圖3-5 樣品載台示意圖 50
圖3-6 量測熱傳導係數薄膜放置圖 52
圖3-7 Hot Disk 之示意圖 52
圖3-8 Hot Disk 之 sensor 53
圖3-9 Hot Disk 之量測示意圖 53
圖3-10 場發射之示意圖 54
圖3-11 硼蒸氣摻雜裝置示意圖 44

圖4-1 2μm之鑽石角錐SEM 57
圖4-2 4μm之鑽石角錐SEM 57
圖4-3 6μm之鑽石角錐SEM 58
圖4-4 8μm之鑽石角錐SEM 58
圖4-5 1.5μm之鑽石角錐SEM 59
圖4-6 2μm之摻雜硼的鑽石角錐SEM 59
圖4-7 4μm之摻雜硼的鑽石角錐SEM 60
圖4-8 6μm之摻雜硼的鑽石角錐SEM 60
圖4-9 8μm之摻雜硼的鑽石角錐SEM 61
圖4-10 2μm鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 61
圖4-11 4μm鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 62
圖4-12 6μm鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 62
圖4-13 8μm鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 63
圖4-14 1.5mm鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 63
圖4-15 不同大小的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 64
圖4-16 2μm摻雜硼的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 66
圖4-17 2μm摻雜硼的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 66
圖4-18 2μm摻雜硼的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 67
圖4-19 2μm摻雜硼的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖
67
圖4-20 不同尺寸摻雜硼的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係
68
圖4-21 2μm摻雜硼與未摻雜的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 68
圖4-22 4μm摻雜硼與未摻雜的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 69
圖4-23 6μm摻雜硼與未摻雜的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 69
圖4-24 8μm摻雜硼與未摻雜的鑽石角錐其沉積厚度跟熱傳導係數關係圖 70
圖4-25 不同尺寸的鑽石角錐對熱傳導係數關係圖 71
圖4-26 2μm薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 73
圖4-27 4μm薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 74
圖4-28 6μm薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 74
圖4-29 8μm薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 75
圖4-30 1.5mm薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 75
圖4-31 不同尺寸的薄膜和角錐其電流密度和電場的比較關係 76
圖4-32 2μm薄膜和角錐之F-N圖 76
圖4-33 4μm薄膜和角錐之F-N圖 77
圖4-34 6μm薄膜和角錐之F-N圖 77
圖4-35 8μm薄膜和角錐之F-N圖 78
圖4-36 1.5mm薄膜和角錐之F-N圖 78
圖4-37 不同尺寸薄膜和角錐間之F-N比較關係圖 79

圖4-38 2μm薄膜和角錐之電場和電流密度關係圖 80
圖4-39 4μm薄膜和角錐之電場和電流密度關係圖 81
圖4-40 6μm薄膜和角錐之電場和電流密度關係圖 81
圖4-41 8μm薄膜和角錐之電場和電流密度關係圖 82
圖4-42 2μm薄膜和角錐之F-N圖 82
圖4-43 4μm薄膜和角錐之F-N圖 83
圖4-44 6μm薄膜和角錐之F-N圖 83
圖4-45 8μm薄膜和角錐之F-N圖 84
圖4-46 不同尺寸之摻雜硼的電場和電流密度關係圓 84
圖4-47 不同尺寸之摻雜硼的F-N圓 85




















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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2007-01-22公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2010-01-22起公開。


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