一维ZnO半导体纳米线的制备与场发射特性研究

摘要

低维纳米材料具有许多独特的性能,成为了制备场发射冷阴极的热点材料,而引起了各国研究人员的极大兴趣和关注。
　　 氧化锌(ZnO)是一种宽禁带的半导体材料,因其具有高比表面积,大长径比等良好的物理化学性能,很适合用于制备场发射器件。因此对其场发射特性的研究非常必要,并具有重要的现实意义。本文利用水热法制备了一维ZnO纳米线,并对其场发射特性进行了研究,主要工作如下:
　　 1.采用水热法,以氨水为原料,反应温度为95℃,在Zn片上通过控制反应物的浓度(4,7,10,15％)以及在15％溶液浓度下控制生长时间(6,12,24h)制备了结构均匀,取向性良好的一维ZnO纳米线。并利用X射线衍射(XRD),扫描电子电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对样品进行了分析和表征。
　　 2.以制备的一维ZnO纳米线作为阴极,经打磨抛光过的铜棒作为阳极,制成了一个二极管结构的场发射发射器,测试了样品的场发射特性。并通过测得的数据作出了场发射的J-E和F-N曲线,还测出了样品的开启电场和阈值电场以及场增强因子(β)。测试结果表明样品具有较好的场发射特性:不同反应物浓度的样品开启电场为10～17V/μm,阈值电场为17～26V/μm；而不同生长时间的样品开启电场为10～14V/μm,阈值电场为17～22V/μm,且样品的场发射稳定性较好。且通过实验可得,比表面积高,长径比大,纳米线直径较小的样品场发射特性较好。
　　 3.分析了样品场发射特性的影响因素。一维ZnO纳米线场发射主要受材料的场屏蔽效应和几何形貌有关。并通过场增强因子的理论公式β0=1/kr可得样品的半径越小,场增强因子越大,这与实验的结论一致。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 ZnO半导体材料的基本性质及应用

1.3 ZnO半导体材料场发射研究进展

1.4 半导体场发射理论

1.4.1 场发射原理

1.4.2 半导体场发射理论进展

1.4.3 场发射的定量公式

1.4.4 半导体外场致发射

1.5 场发射的应用前景

1.6 一维ZnO纳米线的制备方法和手段

1.7 本论文的主要研究内容和研究特色

1.8 本课题的研究意义与创新点

2 一维ZnO半导体纳米线的制备及特性分析

2.1 一维ZnO纳米线的制备

2.2 表征及分析

2.2.1 X射线衍射(XRD)原理

2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)原理

2.2.3 透射电子显微镜(TEM)原理

2.3 水热合成法制备的一维ZnO纳米线的分析结果

2.3.1 结构分析

2.3.2 形貌分析

2.3.3 水热合成ZnO半导体纳米线阵列的生长机制与影响因素

3 一维取向ZnO纳米线阵列场发射性能测试

3.1 场发射特性参数

3.2 场发射测试装置及过程

3.2.1 场发射测试装置

3.2.2 场发射测试过程

3.3 一维ZnO纳米线场发射特性研究

3.3.1 不同氨水浓度条件对ZnO纳米线阵列场发射的影响

3.3.2 一维ZnO纳米线场发射与纳米线阵列比表面积间的关系

3.3.3 不同生长时间条件制备的一维ZnO纳米线场发射的影响

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢