Al掺杂ZnO纳米线制备及其场发射性能研究

摘要

场致发射显示器(FED)是一种新型的平板显示器件，具有功耗低、高亮度、高分辨率、工作环境适应性好等优点。场发射阴极材料(FEA)是 FED技术研究的重点，其场发射性能直接决定了FED的性能。
　　一维ZnO材料由于其阵列制备成本低，并且有很大的长径比和纳米量级的曲率半径，是一种得到广泛研究的场发射阴极材料。但因本征ZnO导电能力较差，制约了其场发射性能，因此本课题以提高ZnO纳米阵列的场发射能力为研究目标，在合理控制ZnO纳米阵列的密度、尖端形貌的同时对ZnO进行Al掺杂，增强ZnO纳米阵列的导电能力，提高ZnO纳米阵列的场发射电流密度，满足FED对阴极材料发射能力的要求。
　　本课题通过水热法在硅基片成功制备出Al掺杂ZnO纳米线阵列，并研究其场发射性能，主要研究内容和结果如下：
　　1.利用磁控溅射制备ZnO籽晶层，得出ZnO薄膜的沉积速率为18nm/min，薄膜厚度均匀性较佳，并获得了最佳的磁控溅射工艺参数。
　　2.采用水热反应法制备无掺杂ZnO纳米线，得到最佳的水热反应工艺参数为：溶液浓度0.025M，生长时间4小时，溅射时间30~45s。
　　3.利用晶种生长法制备出直径尺寸小于50nm的ZnO纳米阵列，进行场发射性能测试，得到其开启电场为5.2V/μm，最大电流密度为243μA/cm2。
　　4.不同溶液浓度制备的ZnO纳米线场发射性能测试表明，高浓度虽然可以增加有效场发射面积，但这种面积的增加不足以抵消场屏蔽效应带来的性能下降，浓度越高的样品场发射性能越差。
　　5.通过水热法成功制备出Al掺杂ZnO纳米线，纳米线沿c轴（002）晶向择优取向生长，平均直径为50nm。对Al掺杂ZnO纳米线进行场发射性能测试，得到Al掺杂浓度为4at％时纳米线的场发射性能最好，最大电流密度为4.7mA/cm2，满足小尺寸FED的需求，开启电场为0.65 V/μm，阈值电场为6.7 V/μm，场增强因子是1834。
　　研究表明，Al掺杂可以有效提高ZnO纳米阵列的场发射性能，这为拓展一维ZnO纳米阵列在FED领域的应用提供了新的途径。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 研究现状及研究意义

1.3本课题主要研究内容

第二章 铝掺杂氧化锌纳米阵列的性质及场致发射理论

2.1 ZnO材料的基本性质

2.2 纳米材料的性质

2.3 Al掺杂ZnO纳米阵列的性质

2.4 场致发射理论

2.5 纳米阵列的场发射性能分析

2.6 本章小节

第三章 纳米阵列的制备与表征方法

3.1 一维ZnO纳米材料制备方法简介

3.2 Al掺杂ZnO纳米阵列的水热制备法

3.3 表征方法

3.4 本章小节

第四章 铝掺杂氧化锌纳米线的制备工艺研究

4.1 磁控溅射制备籽晶层工艺研究

4.2 无掺杂ZnO纳米线的制备

4.3 Al掺杂ZnO纳米线的制备

4.4 本章小节

第五章 场发射性能测试及分析

5.1 场发射测试

5.2 水热溶液浓度对场发射性能的影响

5.3 ZnO粉制备的ZnO纳米线场发射性能分析

5.4 Al掺杂ZnO纳米线场发射性能分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文的总结

6.2 存在的问题及未来展望

致谢

参考文献