Sb摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備及其場(chǎng)發(fā)射性能研究.pdf

1、ZnO作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光電性能、高熱穩(wěn)定性、納米結(jié)構(gòu)豐富以及制備方法多樣等特點(diǎn)，是一種優(yōu)秀的場(chǎng)發(fā)射陰極材料。ZnO可以通過元素?fù)诫s來調(diào)控其光電性能，可廣泛應(yīng)用于光電子器件、太陽能電池技術(shù)、近紫外發(fā)光器件和場(chǎng)發(fā)射平板顯示等領(lǐng)域。Sb摻雜 ZnO有望降低其功函數(shù)，提高場(chǎng)發(fā)射性能。本文采用簡(jiǎn)單化學(xué)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(guān)納米材料制備、表征、場(chǎng)發(fā)射性能等方面

2、的研究，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）Sb摻雜ZnO納米線的制備及其場(chǎng)發(fā)射性能
　　在650℃的溫度下，生長(zhǎng)出Sb摻雜ZnO納米線，SEM照片顯示納米結(jié)構(gòu)為納米線，具有比較大的長(zhǎng)徑比。XRD結(jié)果分析表明Sb摻雜ZnO納米線是結(jié)晶性良好的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶體，沿著c軸擇優(yōu)生長(zhǎng)，Sb5+以替換Zn2+的形式摻入ZnO晶格中。拉曼光譜證實(shí)在536 cm-1處觀測(cè)到與Sb相關(guān)的局域振動(dòng)模，進(jìn)一步證實(shí)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(chǎng)發(fā)射性能，開啟電場(chǎng)為5.5 V/μm，場(chǎng)增強(qiáng)因子高達(dá)2430；長(zhǎng)徑比越大的形貌，它的場(chǎng)發(fā)射性能越好；Sb摻雜是改善ZnO場(chǎng)發(fā)射性能的有效手段。
　?。?）催化劑對(duì)ZnO:Sb納米材料場(chǎng)發(fā)射特性的影響
　　對(duì)比研究了催化劑Pt對(duì)ZnO:Sb納米材料生長(zhǎng)和場(chǎng)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(duì)比研究有無催化劑對(duì)同一位置生長(zhǎng)的

4、ZnO:Sb納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)以及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。SEM形貌圖片顯示，有催化劑 Pt時(shí)，所生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)具有較大的長(zhǎng)徑比，在距離源較遠(yuǎn)端比較適宜ZnO陣列的沉積生長(zhǎng)；無催化劑Pt時(shí)，容易形成長(zhǎng)徑比小的短粗納米棒狀結(jié)構(gòu)。XRD表征結(jié)果表明所得Sb摻雜ZnO樣品均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)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(zhǎng)，陣列狀樣品擇優(yōu)生長(zhǎng)最為明顯。樣品的場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試結(jié)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(chǎng)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(zhǎng)的Sb摻雜ZnO納米棒陣列結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射性能較為優(yōu)異（開啟電場(chǎng)：12 V/μm，場(chǎng)增強(qiáng)因子：1360）。
　?。?）生長(zhǎng)溫度和Sb摻雜濃度對(duì)ZnO:Sb納米材料場(chǎng)發(fā)射性能的影響
　　通過改變生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)隨著生長(zhǎng)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(zhǎng)。XRD衍射譜表明Sb摻雜ZnO在低溫下沿<001>方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，在高溫下呈多向生長(zhǎng)。拉曼光譜檢測(cè)結(jié)果表明低溫下Sb更容易摻入ZnO中，高溫下Sb難于摻入ZnO。場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試表明650℃下生長(zhǎng)的ZnO納米線場(chǎng)發(fā)射性能最佳（開啟電場(chǎng)：6.3 V/μm，場(chǎng)增強(qiáng)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(chǎng)發(fā)射性能。通過改變?cè)戳吓浔?，制備出不同摻雜濃度的 ZnO:Sb納米材料，XRD結(jié)果表明隨著設(shè)

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(jié)果顯示，與Sb相關(guān)的局域振動(dòng)模的強(qiáng)度隨著設(shè)定摻雜濃度的增加而上升。場(chǎng)發(fā)射特性測(cè)試結(jié)果表明3％摻雜濃度的ZnO:Sb納米材料的場(chǎng)發(fā)射性能最佳（開啟電場(chǎng)：5.6 V/μm，閾值電場(chǎng)：8.6 V/μm，場(chǎng)增強(qiáng)因子：1529）。
　?。?）測(cè)試間距對(duì)ZnO:Sb納米材料場(chǎng)發(fā)射性能的影響
　　在不同測(cè)試間距下觀測(cè)ZnO:Sb納米材料的場(chǎng)發(fā)射特性，線狀、四足狀和陣列狀樣

8、品的開啟電場(chǎng)隨著測(cè)試間距的增加而降低，同等電場(chǎng)下發(fā)射電流密度會(huì)有所升高，場(chǎng)增強(qiáng)因子隨著測(cè)試間距的增大而變大。用TRFE模型解釋得到場(chǎng)增強(qiáng)因子與測(cè)試間距的關(guān)系為：1β=1d×1?β10 L+β10。樣品的場(chǎng)發(fā)射性能隨著測(cè)試間距的增大得到提升，實(shí)際器件應(yīng)用中應(yīng)考慮測(cè)試間距對(duì)場(chǎng)發(fā)射性能的影響。
　　論文工作對(duì)Sb摻雜ZnO納米材料制備及其場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行了有益的探索，闡述了催化劑、Sb摻雜濃度、摻雜溫度和測(cè)試間距對(duì)合成材料形貌、結(jié)構(gòu)和場(chǎng)發(fā)