（微电子学与固体电子学专业论文）纳米氧化锌的制备和场发射特性.pdf

纳来氧化锌的制备和蜗发射特性 摘要 纳米结构材料相比相应体材料性能上的差异和优势已经促成了纳米学和纳 米科技的诞生，而且相互之间相辅相成。宽禁带半导体纳米结构材料作为纳米材 料和宽禁带半导体的有力结合，更是受到了极大的关注，例如对宽禁带半导体纳 米氧化锌( z n o ) 包括制备和应用等方面的研究也成为了热点。纳米氧化锌的一个 重要的应用就是作为场发射平板显示( f e d ) 的场发射阴极材料，然而材料的生长 对场发射的性能优越与否也起着尤为重要的作用。因此，本论文以不同生长方法 制备不同形貌和尺寸的纳米氧化锌，并分析相应样品的场发射( f e ) 特性，主要内 容如下： 1 ) 采用热蒸发的方法，通过控制反应时不同的氮气和氧气气流量以及配置不同 的反应源，得到了形貌和尺寸各异的氧化锌产物。用m 、s e m 分析了产物 的结构和表面形貌，说明了反应时相对小的氧气流量有利于获得小尺寸的氧 化锌产物，同时通过分析反应时的生长机制，得出了气液固( v 】l s l 和气固 ( v s ) 的生长模型可能分别贯穿于两种不同的产物形貌的形成过程。各种样品 场发射特性也得以展示； 2 ) 通过水热法生长纳米氧化锌，讨论了影响产物形貌和尺寸的原因。结合s e m 测试和负离子配位多面体生长基元模型解释了水热法制各氧化锌的生长机 理，说明了溶液的酸碱度、浓度和反应时间对产物的生长都有着重要的影响。 场发射特性描述了在所选的三种样品中，相比纳米带和微米球，对称生长的 棍状氧化锌具有最好的场发射特性，其开启电场和阈值电场分别为3 0 1v m m 和5 4 7 、似m ； 3 ) 分别以金膜和纳米金胶颗粒作为催化剂，用热蒸发的方法制备纳米氧化锌， 衬底分别是溅射有纳米厚金膜的硅衬底以及用金胶溶液浸泡之后的多孔硅衬 底，反应中应用到了v l s 的生长机制。溅射金膜厚度的不同直接影响反应后 金颗粒在氧化锌纳米线中位置，同时实验实现了图形化以金膜为催化剂的纳 米氧化锌的生长，而且样品具有好的场发射特性。 关键词：氧化锌纳米结构；场发射；热蒸发；水热法；图形化 纳米氯化锌的制备和场发射特性 a b s t r a c t 1 m ed i f 6 e r e n c e sa ds u p e r i 嘶t i e so fz j n c0 x i d en a n o m a t e r i a l si nt l l e i rp f o p e r t i e s c o m p a r i n g 州t ht h e i rc o m s p o n d i n gb u l kc o u n t e r p a i t sh a v em a d et h en 姐o s c i c n c e 孤d r 幽o t e c h n o l o g yc o m ei n t ob e i n g ，w h j c ha r ep r o m o 痂增也ed e v e l o p m e n to fe a c h0 t h e r i a st l l ei n t e 铲a t i o no ft l l cn a n o m a t e r 主a l 锄da1 ( i n d0 fw i d e - b a l l ds e m i c o n d u c t o r ，t h e w i d e b 柚ds e m i c o n d u c t o rn a n o s t n l c t i l r c sh a v er c c c i v e dg r e a ta t t e n t i o n f o rc x a m p l e ， z n 0h a sb e o o m et h er e s e a f c hf o c t l si n d u d i 】蟮i 招笋。讲hm e t h o d s 缸da p p l i c a t i o n s 0 n eo ft h ep o t c n t i a la p p l i c a t i o n so fz n oi st ob eu s e d 鹊f h ec o l dc a t h o d co ff i e l d e m i s s i o nd i s p l a y ( f e d ) b e c a u s et h em o r p h o l o 画e s 锄ds i z eo ft l l em a t e r i a l sw l l i c ht o s o m ee x t e n tr e l yo nt h eg r o 科hm e t h o do ft h em a t e r i a l sm a yh a v e 铲e a ti n f l u e n c e so n t h ef ep r o p e r t i e s ，t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e d 勰b e i o w ： 1 ) d i 骶r e n tm o r p h o l o 百e sa n ds i z eo fz n on 札o s t n i c t l l r e sh a v eb e e ns y l l t l l e s i z e dv i a c o n 缸d l l 血gt h er c l a t i v ec o n t e n to fo x y g e n 锄du s i n gd i f e r e n ts o u r c c sb ym e 姗a i e v 印o r a t i o nm e t h o d ，x r d 柚ds e mw e r eu s e dt os l u d yt l l es t n l c t u r e sa n d m o 叩h 0 1 0 百e so ft h ep r o d u c t s i tw 硒s h o w l lt h a tt l l er e l a t i v e l ys m a u e ro x y g e n c o n t e n tc o m p a r i n gw i t ht h a t0 ft h en i t r o g e nc o u l d b eh e l p f i l l n ed i 娩r e n tg r 0 州h m e c h a i l i s m so fv l s 蛆dv sm a yh a v er e s p e c t i v e l yt a k e np a ni nt h e 芦o w i g p r o c e s s e so ft h cd i 疏r e n tm o q p h o l o 舀e so fz n op r o d u c t s a tl 鹊t ，t h ef e p i o p e r t k sw e i er e v e a l e d t 2 ) z n 0n a n o s t l l l c t u r e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db yh y d r o t h e 册a lm e t h o da n dt h e 芦o w t hm e c h a n i s mh 船b e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp hv a l u e ，t h e c o n c e n t r a t i o n ，e t c ，o ft h es o l u t i o n ，a i i do t h e rf a c t o r ss u c ha st h er e a c t i o nt i m eh a d e f f e c t so nt h es i z ea n dm o r p h o l o g i e so ft h ep r o d u c t s t h ef e p r o p e n i e sr e v e a l e d t h a ta m o n gt h et h r e em o r p h o l o g i e so ft h eb a l l s ，t h eb e l t sa i l dt h er o d s ，t h e n a n o r o d sh a dt h eb e s tf ep r o p e n i e sw i t ht h et u m o na n dt h r e s h o l dv o l t a g e so f r e s p e c t j v e l y3 0 1 v 似ma n d5 4 7 v 以m ； 3 )u s i n gt h eg o l dt h i n f i l m sa n da uc o l l o i d sa st h e c a t a l y s tr e s p e c t i v e l y ，z n o n a n o s t r u c i u r e sh a v eb e e nf a b r i c a t e dt h r o u g ht h e 肿a le v a p o r a t i o nm e t h o d t h e i i 纳米氯化锌的制鲁和埔发射特性 s u b s t m t e sw e r er c s p c c t i v e l yt h es i l i c o ns u b s t r a t ew h i c hh a db ns p a t t e r c dt 0h a v e ag o l dm j i lf i l mo ni t 锄dt h ep - t y p ep o l y - s i l i c o n ( p s ) s u b s t r a t ew h i c hh a db e e n i 衄e r s e di i lt h ea un a n o p a n i c l es o l u t i o nf o r3 0 i n i n ，t t l ec x p e r i m e m su t i l i z e dt l l e v l sm c c h a n i s m nw a ss h o w nt h a tt h ez i l 0p r o d u c 【sc a t a l ) ，z e db yg o l dt h i nf i l m s h a d9 0 0 df e p r o p e r t i e s ，a tt l l es a m et i m e ，t i l ep a t t e m e dz n 0n a n o s t m c t u 聆sh “e b e e nf a b r i c a t e d k e y w o r d s ： z n o n a n o s t 咖r e s ；f i e l d c m i s s i o n ；强e 珊a l e v 印o r a t i o n ； h y d m t h c 加a l ；p a t t e m e d h i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 盛凼日期：出堡鱼 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：咖珠白 日期：盘丝查：、 导：象每 日期：圣眇k ( ) 、1 纳米氧化锌的制备和塌发射特性 第一章绪论 1 1 纳米材料和纳米科技 纳米( n a n o m e t c r 、是一种度量单位，一个纳米仅仅相当于一米的十亿分之一， 这在过去显然是一个根本不可“望”当然无法“及”的超微观。1 9 8 2 年，扫描 遂道显微镜发明后，人们有了窥测纳米的工具，纳米学由此诞生。纳米材料则是 一种具有低维结构体系的材料。按照材料尺度所具有纳米级别的维数，纳米材料 有二维纳米结构、一维纳米结构和零维纳米结构，也即材料中分别有某一维、二 维和三维尺寸小于1 0 0 纳米而处于纳米级别。因此，量子阱和超晶格属于二维纳 米结构，纳米管和纳米线属于一维纳米结构，而量子点应属于零维纳米结构。 纳米材料由于在尺寸上的特殊性使其具有了一些基本特性，在此基础上会产 生许多奇异的物理、化学现象【1 】这些基本特性如下： ( 一) 表面与界面效应物质的颗粒越小，它的表面积就越大。同样，纳米材 料中颗粒直径越小，界面原子数量越大，界面能越高，使处于界面的原子数越来 越多，这极大增强了纳米粒子的活性。表面活性高的原因是由于表面原子缺少近 邻配位原子，极不稳定而易于与其原予化合。这种界面原子的活性，不仅引起纳 米粒子界面原子输运和构型的变化，也引起界面电子自旋构像和电子能谱的变 化，于是与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学特性也将显著 变化。纳米陶瓷由于晶粒小，界面纯度高，烧结温度也低于一般陶瓷。例如纳米 二氧化钛陶瓷和纳米二氧化锆陶瓷，能在比传统陶瓷分别低6 0 0 和4 0 0 的温 度下烧结致密化，并使其性能显著改善。 ( 二) 量子尺寸效应所谓量子尺寸效应是指当粒子尺寸极小时，费米能级附 近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。量子尺寸效应可导致纳米颗 粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，即出现 反常现象。例如金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于量子尺寸效应会 呈现绝缘性。美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒随尺寸的减小能带间隙加 宽，发光颜色由红色向蓝色转移。其后美国伯克利实验室控制硒化镉纳米颗粒尺 寸，其所制备的发光二极管可在红、绿和蓝光之间变化。这一发现使纳米技术在 纳米氯化锌的制备和场发射特性 微电子学和光电子学地位显赫。 ( 三) 小尺寸效应随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量，如磁各 向异性等亦相应降低，当体积能与热能相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁 状态转变。此外，当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的 相干长度或透射深度等物理特性尺度相当或更小时，其声、光、电磁和热力学等 特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等离子兴振频移、介电常数与超导性能 发生变化。 纳米材料的特殊性质，已经使它在机械工程技术、计算机和光通信技术、医 学、环保以及航天等领域具有广泛的应用前景，同时也带动了纳米科技【2 - 3 1 的发 展。纳米科技是2 0 世纪8 0 年代末诞生并迅速崛起的新科学技术，它的基本涵义 是在纳米尺度( 1 0 4 1 0 m ) 范围内认识和改造物质，并且通过直接操纵原子、分 子创造新的物质。今后纳米科学技术的发展主要在纳米结构性能研究、材料合成 和制各、纳米材料的观测和纳米颗粒操纵技术等领域。 1 2 氧化锌的基本性质及研究现状 图1 1z n o 晶体结构图。 纳米材料已经成为当前科学研究的重点之一，而宽禁带半导体则具有宽的禁 纳米氧化锌的制备和场发射特性 带宽度以利于相应器件小的漏电流、高的热导率以利于在高频和高温等领域的应 用、负的电子亲和势以适用于场发射平板显示f f e d ) 等等优点，因此宽禁带半导 体纳米结构作为以上两者的结合，更是受到了极大的关注。氧化锌( z n 0 ) 具有宽 的禁带宽度，其纳米结构也成为了当今研究的热点【】。 氧化锌是一种重要的宽禁带族半导体氧化物，属直接宽带隙材料，室 温下其禁带宽度e g = 3 3 7 e v 【6 l ，其发光波长比g a n 的蓝光波长还要短，因此可以 进一步提高光存储的密度n 由于具有较高的激子结合能( 6 0 m e v ) 和光增益系 数( 3 0 c m 4 ) ，氧化锌已经成为短波半导体激光材料、光探测、压电和功率电子器 件【8 - 1 1 l 的优选材料。它具有纤锌矿结构( 六方晶系) ，其结构如图1 1 所示，其晶 格常数a = o 3 2 5 n m ，c = 0 5 2 0 n n l 。该结构是由z n 和o 平面沿c 轴堆积而成，因此 z n o 单晶具有非常严格的结晶学极性，其极性面分别为由z 离子组成的( 0 0 0 1 1 面和由o 离子组成的( 0 0 0 1 ) 面。此外，z l l o 具有一个突出的优点就是与g a n 的 物理性能非常接近，其晶格失配度很小，( 在a 轴方向为1 9 ，在c 轴方向只有 0 + 4 ) ，因此是g a n 晶体生长最理想的衬底材料【1 2 】。由于z l l 间隙和o 空位等本 征缺陷的存在，引起成分的化学计量比偏离，因此z n 0 总是n 型半导体材料。 过去由于缺乏p 型z o ，严重制约了它的电光应用。近年来，由于p 型z i l 0 薄 膜的出现以及g a n 、s i c 等材料的迅速发展，z n o 研究重新引起了人们的重视。 纳米氧化锌的制备方法很多，形貌也是多种多样。g e n g 等人通过双管系统， 由热蒸发氧化锌和石墨粉混合物的方法，在没有使用催化剂的情况下成功制各了 排列有序的氧化锌纳米线单晶阵列【1 3 i ，如图1 2 所示；b a i i d o 等人在1 4 5 0 的温 图1 2 氧化锌单品纳米线阵列。( a ) 低倍数，( b ) 高倍数。 ( 引自c y g “g yj i d “g e t 口i ad v f c t m q 妣。2 0 0 4 ，1 4 ( 6 ) 5 8 9 ) 纳米置化锌的制鲁和塌发射特性 图1 3 以金为催化剂的图形化纳米氧化锌。 ( 弱宜m 记h b e l h h n 昏y y w k h e m t 饥g f e k k n g 甜tt r 甜ke k l c e 掩b e ep d h n g 。a d 仉 m 4 把n 2 0 0 i1 3 1 2 n 3 ) 度下，于氩气气氛中直接热蒸发z n 0 粉末制各得到了氧化锌纳米带 1 4 】；也有通 过使用催化剂制备纳米氧化锌的情况，如e 疵等人以纳米金颗粒成功制备了图 形化的纳米氧化锌【1 5 j ；而h u 蛆g 等人也以金作为催化剂制备了图形化氧化锌纳 米线阵列 ，如图1 3 所示；而s i i l l 等人以s e 为催化剂制各了形貌各异的纳米 氧化锌阵列，如图1 4 所示；除此之外，水热法以其低廉的价格和经济有效的 制备方法也受到了青睐，如v a y s s i e r e s 运用水热法在9 0 左右的温度下制各了氧 化锌纳米管、纳米棒和纳米线阵列【18 j 等等。 图1 4 以s e 为催化剂生长的不同形貌纳米氧化锌阵列。( a ) 柱状；( b ) 瓶状：( c ) 针状。 ( 哥自x c s m n 。h ，z z h n n g dn t s o l i ds l o 把c o m m u n i c n t i o n s ，1 2 9 1 2 0 0 41 8 0 3 ) 纳米氯化锌的制鲁和场发射特性 1 3 氧化锌在平板显示方面的应用 显示技术已经成为当今人类信息社会非常重要的技术，而作为显示技术核心 的显示部件技术水平则显得尤为重要。阴极射线管( c a t h o d er a yt u b e ，c r 是人 们非常熟悉的一种显示部件，然而c r t 显示器却存在体积大、耗电高等缺点。 由此，2 0 世纪6 0 年代，各种平板显示器件( f l a tp 趾e ld i s p l a y ，f p d ) 应运而生， 如液晶显示器( u q u i dc r y s “d i s p l a * l c d ) 、等离子显示器( p l 弱m ad i s p l a yp 姐e l ， p d p ) 等等，但是从图形质量的方面来看，阴极射线管( c r 仍然被认为是最好的， 而场发射平板显示e l de m i s s i o nd i s p l a y f e d ) 则朝着图像优良和体积轻便的方 向，成为2 1 世纪最受瞩目的显示屏。场发射平板显示器的原理是利用加在两块 互相平行极板的直流电源或脉冲直流电源所产生的直流电场的作用下，电子从冷 阴极材料的表面逸出并加速至阳极板，轰击阳极板上的荧光材料使之发光。其中， 冷阴极材料和荧光材料分别涂覆在阴极板和阳极板上，并分别通过金属电极和透 明电极与电源连接。 由场发射平板显示的原理可知，阴极板上的电子场发射材料是非常重要的， 评价一种场发射材料是多方面的，包括低的工作电压、赢的场发射电流密度、良 好的稳定性和机械强度以及生产的经济性、简便性和安全性等。目前国际上已经 发现了诸多优良的场旋射材料，如碳纳米管( c a r b o nn a l l o t u b c ，c n n 、氮化硼 ( b n ) 、氮化镓( g a n ) 等，而作为宽禁带半导体之一的氧化锌( z n 0 ) 纳米材料经过 大量的研列1 9 氆】，由于具有负的电子亲和势，高的机械强度和良好的化学稳定性 等特性，也被认为是一种很有发展潜力的场发射阴极材料。 1 4 本论文的工作 氧化锌纳米结构作为一种宽禁带半导体氧化物，不仅具备纳米材料的很多优 良特性，同时也有宽禁带半导体所具有的诸多优点，在场发射、微电子、光电、 压电、陶瓷、国防、环保【2 3 l 、纺织等等领域都有着广阔的应用前景。纳米氧化 锌的制备方法很多，本论文在调研国内外文献的基础上，根据现有的条件和实验 设备，在纳米氧化锌的生长和场发射应用方面做了如下工作： 纳米氧化锌的制鲁和蝎发射特性 1 ) 用气相输运的方法制备氧化锌纳米结构。通过改变反应时氧气和氮气的比例 以及更换反应源，得到了不同尺寸和形貌的氧化锌纳米结构，用x r d 、s e m 表征了产物的结构和形貌，并讨论了其中可能存在的不同生长机制，同时也 展示了各种不同形貌和尺寸样品的场发射特性，分析了影响它们场发射特性 差异的原因； 2 ) 水热法制备了不同形貌的氧化锌晶体结构。分析了水热法的生长机理，各个 晶面生长速率之间的关系，以及反应时溶液的浓度、酸碱度和生长时间等等 因素对于氧化锌晶体形貌可能产生的影响，同时展示了三种形貌纳米氧化锌 的场发射特性； 3 ) 分别以金膜和金胶为催化剂，用熟蒸发的方法制备纳米氧化锌。纳米级厚的 金膜用溅射法制得，并研究了金膜厚度的不同对生长过程产生的影响，而金 胶则用柠檬酸钠还原氯金酸的方法制备得到，两者都运用了气一液一固 ( 、砷o r _ “q u i d s o i i d v l s ) 的生长机制。同时，还实现了以金膜为催化剂的图 形化纳米氧化锌的生长。通过实验，提出了以金胶为催化剂制备纳米结构的 改进方案。 参考文献 1 j w a i l g ，m s g u d i k s e n ，x d u 壮，yc u ia i l dc m l i e b e r ，s c i e n c e2 9 3 ( 2 0 0 1 ) 1 4 5 5 f 2 张立德，牟季美，纳米材料和纳米机构，科学出版社，2 0 0 1 3 】黄德欢，纳米技术与应用，中国纺织大学出版社，2 0 0 1 4 】gi ( i p s h i d z e ，b y a v i c h ，a c h a n d o l u ，j y u n ，vk u r y a t l ( ov i m 吼a d ，d a u m n g z e b ，m h o l t z ，h t e m k i n ，a p p l p h y s l e t l 8 6 ( 2 0 0 5 ) 3 3 1 0 4 【5 】j y u ，x l c h e n ，h l i ，m h e ，z y q i a o ，j c 。y s t a l g r o w t h ，2 3 3 ( 2 0 0 1 ) 5 【6 d m b a g i l a l l ，yfc h e n ，z z h u ，ty a o ，m ，ys h e n ，t g o t o ，a p p l p h y s l e t t ， 7 3 ( 1 9 9 8 ) 1 0 3 8 纳米氯化锌的刺鲁和蛹发射特性 【7 】谢崇木光电子新材料g a n 研究进展 j 半导体情报，1 9 9 7 ，3 4 ( 4 ) ：1 8 【8 】础n d ，h ，y 蛆，h q ，m e s s e r ，b ，l a w m ，y a n g ，p d ，a d v a n c e dm a t e r i a l s ，1 4 ( 2 ) ( 2 0 0 2 ) 1 5 8 【9 】s 【j 孤g ，h s h 舀y u u ，z h i o ，y l u ，h s h j c r y s t g r o w t l l ，2 2 5 ( 2 0 0 1 ) 1 1 0 【1 0 】s c h o o p u m ，r d s p u t e ，w n 0 c h ，a b a l s a 瑚，r p is h a 瑚a ，t v c n k a t 骼a l l ，a i a d j s ，d c l o o k ，a p p l p h y s l e t t ，7 5 ( 1 9 9 9 ) 3 9 4 7 【1 1 】y i j ，gw m e n g ，l d z l l 强g ，ep h i l l i p p ，a p p l p h y s l e t t ，7 6 ( 2 0 0 0 ) 2 0 1 1 【1 2 】毛祥军，杨志坚，张国义，叶志镇在z n o 砧2 0 3 衬底上生长高质量g a n 单晶薄膜【j 】高技术通讯，1 9 9 9 ，3 ：3 5 3 8 【1 3 】c y g e n g ，y j i 如g ，y y 幻，x m m e n 舀j a z 印i e n ，c s l e e ，y u f s h i t z ，s t l e e ，a d v f u n c t m a t c l ，1 4 ( 6 ) ( 2 0 0 4 ) 5 8 9 【1 q b a i l d 0 ，t s a w a b e ，k 灿a k a ，y m 踟m o t o ，j o u m a lo fl u m i n e s c e n c e ，1 0 8 ( 2 0 0 4 ) 3 8 5 【1 5 】e r i cc g r e y s o n ，y e l i z a v e t ab a b a y 蛆，t c r iw 0 d o m ，a d v - m a t e l ，6 ( 1 5 ) 2 0 0 4 1 3 4 8 【1 6 】m i c h a e lh h u a n 舀yyw u ，h e m l i n gf e i c k ，n g a n1 r a n ，e i c k ew 曲e r p d y 肌g ，a d v m a t e l ，1 3 ( 2 ) ( 2 0 0 1 ) 1 1 3 【1 7 】 【2 2 】 【2 3 x c s u n ，h z z h a n g ，j x u ，q z h a o ，r m w a i l g ，d p y u ，s o l i ds l a t e c o m m u l l i c a t i o n s ，1 2 9 ( 2 0 0 4 ) 8 0 3 l v a y s s i e r e s ，a d v m a t e l ，1 5 ( 5 ) ( 2 0 0 3 ) 4 6 4 c x x u ，x ws u l l ，a p p l p h y s l c t t ，8 3 ( 2 0 0 3 ) 3 8 0 6 c c c h c n ，c c y e h ，c h c h e n ，j a m c h c m s o c ，1 2 3 ( 2 0 0 1 ) 2 7 9 1 y w z h u ，hz z l l a n g ，x c s u n ，s q f c n g ，j x u ，q z h a o ，b x i a i l g ，r m w 柚g ，d p y u ，a p p l p h y s k t l ，8 3 ( 2 0 0 3 ) 1 “ c c c h e n ，c c y e h ，c h l i a n g ，j p h y sa n dc h e m s o l i d s ，6 2 ( 2 0 0 1 ) 1 5 7 7 万青零维g e 和一维z n 0 纳米结构与器件 d 】上海：中国科学院上海微系 统与信息技术研究所，2 0 0 4 7 眇m 阻 纳米氧化锌的制鲁和场发射特性 2 1 引言 第二章场致电子发射理论 一般情况下，固体中的电子受到表面势垒的束缚而局限在固体内部。而促 使电子从固体内部发射出来的方法可以分成两类：一类是用能量激发的手段，包 括热能、光子能量和初级电子动能使固体电子获得高于表面势垒的动能而逸出， 如热电子发射、光电子发射和次级电子发射；另一类是场致电子发射，它是指在 强电场作用下，固体发射电子的现象。即用外部电场来压抑表面势垒，使势垒的 最高点降低并使宽度变窄，或是用内部强电场使电子从基层进入介质层并在其中 获得足够的能量，从而致使固体内部的电子不需要激发就可以逸出【”。 作为一种更高效、无污染的电子源，场致电子发射已经受到了许多的关注。 1 9 6 0 年s h o u l d e r 提出利用场发射针尖阵列的构想1 2 】1 9 6 8 年，美国斯坦福研究 所( s r i ) 的c a s p i n d t 提出了著名的s p 砌t 阴极结构【3 j ，而且成功研制出了具有 实际应用价值的场发射阴极阵列。 2 2 场致电子发射机制 2 2 1 逸出功与负电子亲和势 逸出功是与电子发射密切相关的物理量。对于金属而言，虽然其内部的电子 具有很大的平均动能，但是在常温下电子并不能逸出。因为在金属与真空的界面 上，存在着一个势垒阻碍着电子向真空发射，因此，从金属中释放任何一个电子 所需做的功，称为逸出功，它