金屬有機(jī)配合物M-TCNQ微納米結(jié)構(gòu)的制備及電學(xué)性能研究.pdf

1、納米材料在納米電子學(xué)、光子學(xué)、磁器件等方面有著廣闊的應(yīng)用空間。自從Iiiima發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，各種新穎的一維納米材料如納米線、納米棒、納米帶和納米同軸電纜等相繼被發(fā)現(xiàn)，其中納米線和納米管是納米尺度材料科學(xué)的前沿，它們最有意義的應(yīng)用是在納米電子學(xué)領(lǐng)域。納米線既可以用作功能單元，也可以作為導(dǎo)電溝道，是研究電輸運(yùn)的良好模型體系；對(duì)納米線電學(xué)性質(zhì)的研究是實(shí)現(xiàn)納米電子器件的基礎(chǔ)。所以納米電子學(xué)最近受到了全球范圍的關(guān)注和快速發(fā)展。 目前，

2、碳納米管在場(chǎng)發(fā)射顯示方面的研究獲得了極大的進(jìn)展，但走向?qū)嵱没€是遭遇了難以克服的困境，主要由于半導(dǎo)體和金屬性的碳納米管共存且技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)分離。另外，碳納米管制備時(shí)的溫度較高，對(duì)設(shè)備要求也就較高，故而成本也難以降低。作為一種有機(jī)半導(dǎo)體，電荷轉(zhuǎn)移型金屬有機(jī)配合物M-TCNQ塊體和薄膜材料具有電雙穩(wěn)特性，有的還具有準(zhǔn)一維導(dǎo)電性，在光電開關(guān)、存儲(chǔ)器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是理想的分子電子學(xué)材料。但是目前M-TCNQ的一維結(jié)構(gòu)研究甚少，

3、它的一維納米結(jié)構(gòu)可能具有獨(dú)特的光、電特性。研究其一維生長的過程及工藝以及它們的潛在應(yīng)用，例如：場(chǎng)發(fā)射，如何利用單根M-TCNQ納米線組成納電子器件等，對(duì)于了解M-TCNQ晶體的生長特性和在納電子領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要科學(xué)意義。有關(guān)有機(jī)材料的功函數(shù)測(cè)試工作報(bào)道較少，研究M-TCNQ納米線的場(chǎng)發(fā)射性能，有必要了解其功函數(shù)大小。 M-TCNQ具有柱狀的堆積結(jié)構(gòu)，一定條件下可以獲得其一維生長。M-TCNQ薄膜在強(qiáng)電場(chǎng)作用下的納秒內(nèi)能夠從高阻

4、態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，這一特性可能使得M-TCNQ一維納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能。理論上，取向排列好、離散、有序分布的納米線＼管陣列或均勻分布的薄膜都將具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能。所以本論文圍繞M-TCNQ一維納米結(jié)構(gòu)的制備和電學(xué)性能研究，重點(diǎn)研究了在M-TCNQ納米線的蒸氣輸運(yùn)反應(yīng)法的制備工藝、生長機(jī)理及其場(chǎng)發(fā)射性能。 分別利用傳統(tǒng)的溶液反應(yīng)法、真空條件下的蒸氣輸運(yùn)反應(yīng)法和直接氣相反應(yīng)法制備M-TCNQ一維微納米結(jié)構(gòu)，通過SEM、XRD

5、、XPS等測(cè)試手段，對(duì)它們的形貌、結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了表征。重點(diǎn)研究了蒸氣輸運(yùn)反應(yīng)法制備M-TCNQ納米線的工藝及生長機(jī)理。金屬薄膜的厚度及均勻性、反應(yīng)溫度和時(shí)間、真空度、基片種類等對(duì)納米線的形貌、晶體結(jié)構(gòu)有直接影響。通過對(duì)反應(yīng)時(shí)間的控制，觀察到了處于不同生長階段的Ag-TCNQ納米線；結(jié)合銀膜在不同條件下熱處理引起的形貌變化，提出了取向納米線和納米帶等形貌按VS機(jī)制的生長過程。 在上述M-TCNQ納米結(jié)構(gòu)制備研究的基礎(chǔ)上，測(cè)試了A

6、g-TCNQ微納米線及納米線陣列的電學(xué)性質(zhì)。首先利用電子束刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù)分別制作由納米線和微米線組成的兩端器件，利用函數(shù)發(fā)生器、示波器和探針系統(tǒng)測(cè)試其I-V特性，發(fā)現(xiàn)了單根微納米具有較好的開關(guān)特性和負(fù)電阻特性，有希望用于超高密度存儲(chǔ)以至于納米級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管；觀察到了納米線陣列也具有電雙穩(wěn)性質(zhì)。然后將納米線陣列制作成過電壓保護(hù)器原型，結(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加有可能提高安全系數(shù)，通過電容充放電測(cè)試了器件原型的轉(zhuǎn)變時(shí)間。 測(cè)試了Ag-TC

7、NQ納米線樣品的功函數(shù)。UPS譜測(cè)試得到的平均功函數(shù)為5．82eV：STM譜粗略測(cè)出局域功函數(shù)小于5eV。然后，利用自建的二極系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)上研究了M-TCNQ納米線陣列的場(chǎng)致發(fā)射性能影響因素，總的說來制備M-TCNQ時(shí)的初始金屬薄膜厚度、反應(yīng)溫度和時(shí)間以及測(cè)試時(shí)的極間距等對(duì)場(chǎng)發(fā)射性能均有影響。一般來說，金屬膜厚度在10-20nih時(shí)的M-TCNQ納米線具有較低的開啟電壓，約在2．0V／p,m左右。 為了進(jìn)一步改善場(chǎng)發(fā)射性能，在納米

8、線表面蒸鍍低功函數(shù)的LiF膜，或者選用金屬片作為納米線生長的襯底進(jìn)行了研究。表面鍍LiF的Ag-TCNQ納米線在5V／gm的場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到0．275mA／cm2的發(fā)射電流，穩(wěn)定性得到了較大的提高。在金屬基片上制備的Ag-TCNQ納米線在電場(chǎng)為2．0V／p,m時(shí)的電流密度為0．5mA／cm2，Cu-TCNQ納米線在電場(chǎng)為0．7V／p,m時(shí)的電流密度為0．6mA／cm2，比Si基片上的樣品有了較大的性能改善。 利用單根納米線的電學(xué)性質(zhì)和

9、場(chǎng)發(fā)射樣品的XRD譜解釋了場(chǎng)發(fā)射中的電流“階躍”現(xiàn)象。結(jié)合納米線的導(dǎo)電性、納米線與基片的接觸界面以及納米線尖端形貌分析了場(chǎng)電子的發(fā)射過程。利用經(jīng)典F-N理論對(duì)場(chǎng)發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，估算出Ag-TCNQ的功函數(shù)約為1．29eV，Cu-TCNQ功函數(shù)為0．50eV。從實(shí)用角度看，需要進(jìn)一步提高場(chǎng)發(fā)射電流和改善場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性。 希望以上對(duì)電荷轉(zhuǎn)移型金屬有機(jī)配合物M-TCNQ微納米結(jié)構(gòu)的制備及一些應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究對(duì)今后M-TCNQ的電子器