一維SiC納米晶-非晶復(fù)合材料的場(chǎng)發(fā)射性能研究.pdf

1、一維納米SiC材料由于其寬帶隙半導(dǎo)體特性，具有比石墨材料更低的功函數(shù)，且具有高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，因而一維納米SiC材料成為場(chǎng)發(fā)射陰極的優(yōu)質(zhì)備選材料，在大屏幕平板顯示、微波放大器等領(lǐng)域具有大的應(yīng)用潛力。本文系統(tǒng)地研究了一維SiC納米晶/非晶復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱一維納米SiC材料)的制備和場(chǎng)發(fā)射性能，包括與碳納米管場(chǎng)發(fā)射性能的比較及直徑變化對(duì)一維納米SiC材料絕對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)因子的影響。除此之外，還初步研究了室溫下一維納米SiC材料

2、的發(fā)光性能。 以碳納米管這種可控制備技術(shù)已很成熟的材料為基礎(chǔ)，用碳納米管做為模板,通過(guò)Si原子和碳納米管的固態(tài)反應(yīng)制備出了不同直徑的垂直取向一維納米SiC材料陣列。XPS、HR-TEM分析表明一維納米SiC材料實(shí)際上是非晶態(tài)的a-Si1-xCx(x=0.5)納米纖維和3C-SiC納米晶顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。制備出的一維納米SiC材料有著特殊的“樹狀形貌”。這種特殊的形貌是高溫環(huán)境下Si原子和C原子通過(guò)碳管模板外壁的“開口”缺陷進(jìn)行

3、雙向擴(kuò)散反應(yīng)而形成的。 使用使用場(chǎng)發(fā)射測(cè)試儀來(lái)進(jìn)行樣品的場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試。制備的一維納米SiC材料具有較好的場(chǎng)發(fā)射性能，開啟場(chǎng)強(qiáng)低至1.1V/μm(直徑90nm樣品)，場(chǎng)發(fā)射F-N曲線表現(xiàn)為兩段斜率不同的直線，我們利用一個(gè)已有的“頂-邊”發(fā)射模型來(lái)解釋這種特殊的場(chǎng)發(fā)射行為。與碳納米管相比較，一維納米SiC材料具有更加優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能主要?dú)w因于SiC材料具有比石墨(碳納米管)更低的功函數(shù)。同時(shí)，一維納米SiC材料的“樹狀”分支結(jié)構(gòu)實(shí)

4、際上增加了發(fā)射端的數(shù)量，有助于提高場(chǎng)發(fā)射性能，在大場(chǎng)強(qiáng)下沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)射電流飽和的現(xiàn)象。根據(jù)納米管場(chǎng)發(fā)射增強(qiáng)因子與電極間距的普適關(guān)系，我們計(jì)算出了不同直徑一維納米SiC材料樣品的絕對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)因子β0，驗(yàn)證了隨著SiC納米纖維直徑的減小，絕對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)因子β0呈明顯增大的趨勢(shì)，為提高一維納米SiC材料的場(chǎng)發(fā)射性能工藝設(shè)計(jì)思路提供了依據(jù)。 利用熒光光譜儀測(cè)試了一維納米SiC材料的發(fā)光性能。室溫下，一維納米SiC材料樣品在波長(zhǎng)675nm納米(紅

5、光區(qū))處存在著較強(qiáng)的光發(fā)射，發(fā)光峰的半高峰全寬僅為9.1nm，顯示出良好的單色性，對(duì)應(yīng)PLE譜的峰位在449nm。根據(jù)量子尺寸限制效應(yīng)模型對(duì)SiC納米晶帶隙做了理論計(jì)算，3.8nm 3C-SiC納米晶的“帶隙”為2.7eV(457nm)，與PLE譜的峰位吻合。結(jié)合理論計(jì)算的結(jié)果，我們用一個(gè)“三能級(jí)(three level)”模型來(lái)解釋SiC納米纖維的發(fā)光機(jī)制：從SiC納米晶中激發(fā)的載流子通過(guò)非輻射越遷馳豫到界面態(tài)，然后復(fù)合發(fā)光。氫化處理