柔性衬底上纳米氧化锌的制备、表征和场致电子发射特性研究

摘要

柔性技术和柔性电子发展空前，应用广泛。柔性冷阴极作为柔性电子器件的核心部件极具研究价值和应用基础。氧化锌纳米材料作为宽禁带半导体，具有负电子亲和性、环境稳定性和优异的力学性能在场发射领域有不可替代的作用。铜箔作为柔性衬底可延性好，导电导热能力强，且耐高温，在柔性衬底中占据重要地位。
　　本文先后以刚性Si和柔性Cu箔作为衬底，制备了氧化锌纳米材料冷阴极发射体，对其进行表征和场发射特性的测试，主要研究内容和结果如下：
　　（1）利用化学气相沉积法在刚性Si衬底上制备纳米氧化锌的发射体，通过制备参数的优化得到了氧化锌纳米阵列的最佳制备条件：锌粉0.4g，保温生长时间30min，Ar/O2为152/5(sccm)，Si衬底上镀Pt，800℃和900℃下均可得到纳米阵列结构，只是其沉积区域不同。场发射测试表明氧化锌纳米阵列结构的屏蔽效应明显，场发射能力弱。其开启电场为14.8V/μm，场增强因子β为492。研究表明长径比不同的阵列结构纳米棒均有持续稳定的发射能力，且纳米棒的长径比较大时场发射性能较好。
　　（2）采用CVD法在Cu箔上合成了ZnO纳米针尖场发射体，实现了冷阴极发射体制备工艺从刚性衬底到柔性衬底的成功过渡。该纳米针尖结构的开启电场为17.4V/μm，阈值电场为25.5V/μm，当外加电场为30.0V/μm时，其发射电流密度可达到4.0 mA/cm2。其场发射性能优异，有一定的研究价值，但想要获得器件的应用，必须使发射体整齐排列形成密度均匀可调控的阵列，因此有必要进行下一步的研究。
　　（3）对柔性冷阴极发射体的CVD制备工艺条件进行优化得到了较为理想的阵列结构发射体，其设计参数为：Zn0.1g，在900℃下蒸发，保温生长40min，Ar/O2流量比为200/20(sccm)，Cu箔衬底置于蒸发源附近。柔性Cu箔上氧化锌纳米线阵列结构的开启电场为9.3V/μm，阈值电场为19.7V/μm；当外加电场达到27.1V/μm时，其发射电流密度可达到4.2 mA/cm2。场增强因子为1561，是一种性能非常优良的柔性冷阴极场发射体。
　　（4）对柔性Cu箔上CVD法制备氧化锌纳米结构的机理提出了定性的解释：铜锌合金化阶段，锌蒸气通过气相输运到达Cu箔表面，并迅速与Cu原子发生合金化反应。氧化锌纳米结构生长阶段，随反应的继续，衬底表面被合金覆盖，表面自由Cu原子越来越少，过剩锌蒸气与氧气反应生成氧化锌并在合金表面形核生长。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 场致电子发射理论

1.3 电子源的研究现状和进展

1.4 冷阴极纳米材料制备

1.5 柔性衬底的研究和进展

1.6 本论文的主要内容

第二章 刚性Si衬底上冷阴极制备、表征与场发射特性研究

2.1 引言

2.2 实验装置、原料与一般步骤

2.3 研究方案设计

2.4 实验结果与表征

2.5 几种特殊形貌的氧化锌微结构

2.6 场发射特性测试分析

2.7 场发射对氧化锌发射体结构和性能的影响

2.8 本章小结

第三章 柔性Cu箔上冷阴极的制备、表征与场发射特性研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与表征

3.4 场发射特性测试分析

3.5 本章小结

第四章 柔性冷阴极制备条件的优化及场发射特性

4.1 柔性冷阴极制备条件的优化设计方案

4.2 结果表征与分析

4.3 柔性冷阴极的场发射特性测试分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢

个人简历