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ZnO-Ni壳核丝状阴极场发射特性研究
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许亚红,郭太良
(福州大学物理与信息工程学院光电显示技术研究所,福州350002)
摘要:采用水热法在Ni丝上制备锥状Zn0,形成ZnO-Ni壳核丝状阴极。采用x射线衍射分析仪进行物相分析,表明该Zn0具有沿002面生长的取向。用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面形貌,表明Ni的表面生长有一层分布均匀的锥状Zn0。通过场发射性能测试,结果表明ZnO-Ni壳核丝状阴极具有比平面结构中的Zn0纳米锥阴极更优良的场发射性能,并对该结果进行讨论。
关键词:水热法;氧化锌;丝状阴极;场发射
TP104:A
引言
氧化锌是一种重要的宽禁带半导体功能材料,在室温下带隙宽度为3.3eV,激子束缚能高达60meV,并且具有负电子亲和势,良好的稳定性和高的机械强度等,被认为是最有前途的场发射阴极材料之一。由于氧化锌具有丰富的表面形貌,其所表现出来的物理性质也大不相同。Zn0纳米材料制备方法主要包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)131、脉冲激光沉积(PLD)、水热合成法和物理热蒸发等,所生成的纳米氧化锌形貌包括纳米线、纳米棒、纳米带、纳米锥、纳米环以及纳米梳等。一维氧化锌纳米结构作为可以替代碳纳米管(CNT)的阴极材料在场致发射显示器(FED)领域具有较好的应用前景。
水热生长金属氧化物尤其是氧化锌)纳米结构由L.Vayssieres、Lee等人比较系统研究,由于该方法具有生长温度低,工艺简单等优点而备受关注。目前,水热法生长Zn0研究比较热门的主要是在不同衬底上及做种子层(材料为Zn0)生长Zn0纳米棒阵列;该阵列具有高度取向,在光学、电学、化学、生物工程等领域有很大的应用前景。本文采用水热法在没有种子层的Ni丝上生长锥状Zn0,采用XRD、SEM对纳米材料的形貌和物相特性进行表征。在场发射测试系统测试场发射性能,并与平面结构的Zn0纳米锥阴极比较,得出ZnO-Ni丝状阴极具有更优良的场发射特性。
2实验
2.1实验过程
(1)取一定长度,直径为300um的Ni丝在丙酮和纯水中各超声清洗30min。
(2)用电子天平称取硝酸锌和六次甲基四胺各O.1g,溶于60mL纯水中,搅拌至完全溶解。
(3)将配置好的溶液放入反应釜中,再将Ni丝放入,使其悬浮在溶液中。
(4)将反应釜放置在烘箱中,lOOoC保温6h。待反应结束取出Ni丝并在马弗炉中1500C烘干后,可以看到Ni丝表面有一层薄薄的白色物质。
2.2样品表征及测试
利用BrukerD8-advanceX射线衍射仪进行Zn0的物相分析:用扫描电子显微镜(HITACHIS-3000N)SEM对得到的产物进行微观形貌的观察;在真空腔体中测试其场发射性能,测试系统真空度为5.0×10-5Pa。
3结果与讨论
3.1X射线衍射分析
收集Ni丝表面的白色物质,做相应的X射线衍射物相分析。XRD物相分析在BrukerD8-advanceX-射线衍射仪上进行(Cu靶Kaλ=1.54178A),扫描速度为0.020,s。XRD衍射图如图1所示。
从该XRD图中可以得出Zn0属于六方相Zn0结构,在002)晶面处出现最强峰,没有出现其它的杂质峰,说明了采用水热法在Ni丝上制备的氧化锌纳米锥具有沿C轴择优取向。
3.2扫描电子显微镜分析
图2所示为Zn0-Ni壳核丝状阴极在SEM下观察得到的表面形貌图,从图(Za)上可以看到,圆柱型Ni丝表面有一层相对比较均匀Zn0材料,形成ZnO-Ni壳核丝状阴极。从图(Zb)上可以看到,表面Zn0材料为锥状,长度3-6um,根部较粗,顶部较细,顶部尖端直径为0-200nm;其在Ni[来自wwW.lw5u.cOm]的表面上形成无数个的场发射尖端。这种采用水热法将Zn0材料直接生长在基底上,并通过适当温度的退火,可以使材料和基底的附着力进一步提高,保证氧化锌和镍丝的良好接触,为其在场致电子发射中输运持续稳定的电子。
3.3场发射性能分析
3.3.1丝状阴极场致电子发射理论模型
场致电子发射,又称为冷阴极电子发射,是指在导体或者半导体表面施加强电场,使其表面势垒高度降低,宽度变窄,致使物体内部的电子不需要激发就能穿透势垒而发射到真空中l14~151。对于Zn0-Ni壳核丝状阴极,其核心为金属Ni丝,外壳为Zn0纳米锥。在强电场的作用下,导体Ni丝的发射满足场发射Fowler-Nordherm方程,但其实际所能达到发射的电场强度很大,远远大于实际值。在其上生长半导体材料Zn0纳米锥,在金属表面形成尖端,这有利于提高其表面半导体的电场强度,降低测试所需要的实际电压。
3.3.2场发射测试
图3中为曲线1为平面结构的Zn0阴极和曲线2
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