| 研究概要 |
アモルファス窒化炭素(α-CN_x)材料は最近の研究で、低仕事関数を有することが見出されている。そのためトンネル効果を利用した電界放出素子としての応用が期待されている。本研究では大きなβをもつ導電性基材に大気開放型CVD装置を用いて作成したZnO:Alウイスカー単結晶を用い、小さなφをもつ物質としてα-CN_x:Hまたはα-CN_x:O:Hをコーティングした構造体を用いる。動作電圧を低減化させる目的で以下の研究を行った。
He+BrCN混合気体のECRプラズマを用い、そこに微量のH_2Oを混入させてα-CN_x:H膜を作成し、膜中の水素量を制御した。第1の方法では装置の上流でHe、BrCNおよびH_2Oを混合し、装置内に導入した。HeおよびBrCNはP_2O_5を用いて制御不能な水分を除去した。第2の方法では、チャンバー上流よりHeを導入し、装置側面からBrCNとH_2Oの混合蒸気を導入した。この方法では3種類のガスがSi基板の上流約10mmで混合され、プラズマ誘起化学反応が進行する。第1および第2いずれの方法においてもマイクロ波の出力は70Wとし、Heの圧力は3.0mTorr、BrCNの圧力は2.0mTorrに固定、H_2Oの圧力は0-0.6mTorrの範囲で変化させた。H_2Oの圧力が0.6mTorrを超えると、プラズマが消失した。
第1の方法で作成されたα-CN_x:H膜の赤外吸収スペクトルを見ると、H_2Oの分圧が0.0-0.6mTorrに増加するにつれ、3300cm^<-1>付近のOHおよびNH_y(y=1,2)伸縮振動に帰属される吸収強度が増大する。したがって、反応系に導入される水分量によって膜中の水素量が制御されることが確かめられた。ただし、第1の方法で作成された膜では、H_2Oを導入しないときでも水素終端構造の吸収が若干見られた。第2の配置で作成されたα-CN_x:H膜の赤外吸収スペクトルでは、スペクトルの全体にバックグラウンドと思われる「うねり」が重畳されて観測されたが、H_2O圧0.0mTorrでは水素終端構造の吸収ピークは見られないと判断された。以上の結果、反応系から制御不能な水分を除去する有効な配置は第2の配置であり、脱水に用いたP_2O_5とチャンバーとの距離が短いことが重要であると考えられる。
第1の配置で作成されたα-CN_x:H膜のラマンスペクトルを見ると、H_2Oを導入しない場合にはグラファイト構造のE_<2g>振動モードに起因するGバンドが1550cm^<-1>付近に、同じ振動モードの粒界部分に起因するDバンドが1350cm^<-1>付近にそれぞれ観測された。これらのバンドはH_2Oを導入することにより消失した。このことから、H_2Oを導入せずに作成されたα-CN_x膜はnmのオーダーの2次元的な中距離骨格構造が形成されており、H_2Oを導入して作成されたα-CN_x:Hではそのような構造が消失することを示している。
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