柔性襯底上Al和In摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備及其場發(fā)射性能研究.pdf

1、ZnO作為直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、負(fù)電子親和性、豐富的納米結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的光電特性，有廣闊的應(yīng)用空間，是制備場發(fā)射陰極的理想材料?；谄骷?yīng)用的需求，人們常常通過控制ZnO納米材料的生長條件來調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改善材料性能、提高場發(fā)射性能的目的。在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)便攜式可彎曲平板顯示，我們研究了柔性襯底上Al和In摻雜對于ZnO納米材料場發(fā)射性能的影響。本文采用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上分別制備了ZnO、ZnO:A

2、l和ZnO:In納米材料，對它們的場發(fā)射性能進(jìn)行了對比研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）Al摻雜ZnO納米材料的制備及其場發(fā)射性能
　　在750℃生長溫度下制備了ZnO和ZnO:Al納米材料，結(jié)果顯示，兩種樣品都是呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的納米棒陣列，沿C軸擇優(yōu)生長，Al成功摻入ZnO的晶格中。ZnO納米棒陣列的開啟電場為7.02V/μm，場增強(qiáng)因子β為1927；ZnO:Al納米棒陣列的開啟電場為5.58V/μm，場增強(qiáng)因子

3、β為2962。Al的摻雜明顯地提高了ZnO納米陣列的場發(fā)射性能。分析其中的原因主要在于Al的摻入能極大地提高ZnO中的載流子濃度，抬高了ZnO的費(fèi)米能級。
　?。?）In摻雜ZnO納米材料的制備及其場發(fā)射性能
　　在650℃下制備了ZnO:In納米材料，材料以納米線為主，產(chǎn)量較高長徑比較大，垂直襯底生長，In進(jìn)入了ZnO晶格，結(jié)晶性良好，開啟電場為6.79V/μm，場增強(qiáng)因子β為1943，和生長良好的純ZnO納米陣列相比，Z

4、nO:In納米材料的場發(fā)射性能更為優(yōu)異?？赡茉蚴荌n占據(jù)了Zn的格位，In作為施主提供了更多的電子，導(dǎo)帶電子濃度變大，提高了材料的場發(fā)射性能。摻雜In是改善ZnO場發(fā)射性能的有效手段。
　?。?）In摻雜ZnO納米材料制備條件的優(yōu)化及其場發(fā)射性能研究
　?、傺芯坎煌L區(qū)域制備的ZnO:In納米材料，我們發(fā)現(xiàn)，ZnO:In納米材料對于在不同區(qū)域生長是很敏感的。當(dāng)生長區(qū)域距反應(yīng)源較近時(shí)（11cm），收集到的樣品多為納米線，長

5、徑比較大，且In進(jìn)入了ZnO的晶格，材料優(yōu)先呈線狀生長，結(jié)晶性較好。11cm處收集的樣品開啟電場為6.14 V/μm，場增強(qiáng)因子β為2158，場發(fā)射性能非常優(yōu)異。原因是In3+和Zn2+離子半徑接近，In容易占據(jù)Zn格位摻入ZnO納米材料中，從而抬高材料的費(fèi)米能級，提高樣品的場發(fā)射性能。距反應(yīng)源11cm處為較佳生長位置。位置的不同，實(shí)際是生長源材料與摻雜源在空間的濃度分布不同，換言之，存在一個(gè)有利于摻雜生長的最佳的飽和蒸汽壓。
　

6、?、谘芯坎煌L溫度制備的ZnO:In納米材料，當(dāng)生長溫度為700℃時(shí)生成短棒狀結(jié)構(gòu)，長徑比大，產(chǎn)率高。在生長溫度介于550℃-700℃之間時(shí)，隨著生長溫度的提高，樣品的場發(fā)射性能越好，但當(dāng)溫度繼續(xù)提高時(shí)，樣品的場發(fā)射性能反而變差，最佳生長溫度為700℃，在這個(gè)溫度下樣品的場發(fā)射性能最好。開啟電場低至3.01V/μm，場增強(qiáng)因子β高達(dá)7797，場發(fā)射性能十分優(yōu)異。在這個(gè)生長溫度下，In的摻入量可能較高，提高了材料的電子濃度，在相同的電場

7、和逸出功（材料決定的）條件下，供應(yīng)函數(shù)增大，導(dǎo)致電流密度增大，因此場發(fā)射性能較好。700℃為最佳生長溫度。
　?、墼谏L溫度為700℃下研究了不同In摻雜濃度制備的ZnO:In納米材料，SEM表明各個(gè)In摻雜濃度下制備的納米材料均為納米棒結(jié)構(gòu)，結(jié)晶性良好。XRD、Raman譜和PL譜表明摻雜濃度為2wt.％時(shí)進(jìn)入ZnO晶格的In可能較多，2wt.%為最佳摻雜濃度。場發(fā)射性能隨著In摻雜濃度的升高先提高再降低呈拋物線狀，當(dāng)摻雜濃度為

8、2wt.%時(shí)，樣品的場發(fā)射性能依舊最好（開啟電場為3.01V/μm，場增強(qiáng)因子β為7797），In2O3:Zn之比為2wt.%是最佳摻雜濃度。
　　綜合位置、摻雜比、溫度三個(gè)方面來分析存在一個(gè)最佳的生長條件，即在距反應(yīng)源11cm處，摻雜原料的配比In2O3:Zn為2wt.%、溫度為700℃時(shí)，可以得到場發(fā)射性能最佳的ZnO:In納米材料。
　　論文對Al和In摻雜ZnO納米材料的制備及其場發(fā)射性能進(jìn)行了探索，分析了Al和In