Sb摻雜ZnO納米結構的制備及其場發(fā)射性能研究.pdf

1、ZnO作為一種寬帶隙半導體材料，具有優(yōu)異的光電性能、高熱穩(wěn)定性、納米結構豐富以及制備方法多樣等特點，是一種優(yōu)秀的場發(fā)射陰極材料。ZnO可以通過元素摻雜來調(diào)控其光電性能，可廣泛應用于光電子器件、太陽能電池技術、近紫外發(fā)光器件和場發(fā)射平板顯示等領域。Sb摻雜 ZnO有望降低其功函數(shù)，提高場發(fā)射性能。本文采用簡單化學氣相沉積法，以Sb2O3為摻雜源，成功地在硅襯底上制備了Sb摻雜的ZnO納米材料，開展了相關納米材料制備、表征、場發(fā)射性能等方面

2、的研究，主要研究內(nèi)容及結果如下：
　?。?）Sb摻雜ZnO納米線的制備及其場發(fā)射性能
　　在650℃的溫度下，生長出Sb摻雜ZnO納米線，SEM照片顯示納米結構為納米線，具有比較大的長徑比。XRD結果分析表明Sb摻雜ZnO納米線是結晶性良好的六方纖鋅礦結構的ZnO晶體，沿著c軸擇優(yōu)生長，Sb5+以替換Zn2+的形式摻入ZnO晶格中。拉曼光譜證實在536 cm-1處觀測到與Sb相關的局域振動模，進一步證實Sb摻入了ZnO晶格中

3、。Sb摻雜ZnO納米線比純ZnO具有更優(yōu)異的場發(fā)射性能，開啟電場為5.5 V/μm，場增強因子高達2430；長徑比越大的形貌，它的場發(fā)射性能越好；Sb摻雜是改善ZnO場發(fā)射性能的有效手段。
　?。?）催化劑對ZnO:Sb納米材料場發(fā)射特性的影響
　　對比研究了催化劑Pt對ZnO:Sb納米材料生長和場發(fā)射特性的影響。襯底有無鍍上催化劑Pt這兩種情況下，收集不同沉積區(qū)域的Sb摻雜ZnO納米材料，對比研究有無催化劑對同一位置生長的

4、ZnO:Sb納米材料的形貌、結構以及場發(fā)射性能的影響。SEM形貌圖片顯示，有催化劑 Pt時，所生長納米結構具有較大的長徑比，在距離源較遠端比較適宜ZnO陣列的沉積生長；無催化劑Pt時，容易形成長徑比小的短粗納米棒狀結構。XRD表征結果表明所得Sb摻雜ZnO樣品均為六方纖鋅礦結構的氧化鋅，瓶子狀、四足狀和陣列狀樣品均沿c軸有不同程度的擇優(yōu)生長，陣列狀樣品擇優(yōu)生長最為明顯。樣品的場發(fā)射性能測試結果表明：無論什么位置，有催化劑Pt的Sb摻雜Z

5、nO樣品都比無催化劑的樣品的場發(fā)射性能要好。有催化劑Pt情況下，距離蒸發(fā)源6 cm處生長的Sb摻雜ZnO納米棒陣列結構的場發(fā)射性能較為優(yōu)異（開啟電場：12 V/μm，場增強因子：1360）。
　?。?）生長溫度和Sb摻雜濃度對ZnO:Sb納米材料場發(fā)射性能的影響
　　通過改變生長溫度，制備出不同的ZnO:Sb納米材料，SEM形貌分析表明Sb摻雜ZnO納米結構隨著生長溫度的升高由納米線過渡到納（微）米棒，直徑逐漸變大，低溫有利

6、于納米線的生長。XRD衍射譜表明Sb摻雜ZnO在低溫下沿<001>方向擇優(yōu)生長，在高溫下呈多向生長。拉曼光譜檢測結果表明低溫下Sb更容易摻入ZnO中，高溫下Sb難于摻入ZnO。場發(fā)射性能測試表明650℃下生長的ZnO納米線場發(fā)射性能最佳（開啟電場：6.3 V/μm，場增強因子：1245），溫度通過改變材料的微觀形貌以及雜質(zhì)摻雜情況間接影響材料的場發(fā)射性能。通過改變源料配比，制備出不同摻雜濃度的 ZnO:Sb納米材料，XRD結果表明隨著設

7、定摻雜濃度的增加，ZnO各衍射峰向大角度方向的平移量增大。拉曼光譜結果顯示，與Sb相關的局域振動模的強度隨著設定摻雜濃度的增加而上升。場發(fā)射特性測試結果表明3％摻雜濃度的ZnO:Sb納米材料的場發(fā)射性能最佳（開啟電場：5.6 V/μm，閾值電場：8.6 V/μm，場增強因子：1529）。
　?。?）測試間距對ZnO:Sb納米材料場發(fā)射性能的影響
　　在不同測試間距下觀測ZnO:Sb納米材料的場發(fā)射特性，線狀、四足狀和陣列狀樣

8、品的開啟電場隨著測試間距的增加而降低，同等電場下發(fā)射電流密度會有所升高，場增強因子隨著測試間距的增大而變大。用TRFE模型解釋得到場增強因子與測試間距的關系為：1β=1d×1?β10 L+β10。樣品的場發(fā)射性能隨著測試間距的增大得到提升，實際器件應用中應考慮測試間距對場發(fā)射性能的影響。
　　論文工作對Sb摻雜ZnO納米材料制備及其場發(fā)射性能進行了有益的探索，闡述了催化劑、Sb摻雜濃度、摻雜溫度和測試間距對合成材料形貌、結構和場發(fā)