基于纳米结构的场致电子发射研究

1、wyiT论女第表茎凉基于纳米结构的场致电子发射研究【摘要】：纳米材料与结构由于和相应的体材料相比，具有许多独特 的性能和诱人的应用前景，引起了各国研究人员的极大兴趣和关注。 目前，最具实用化和市场化的应用领域是利用某些纳米材料和结构的 优异电子场发射性能来制作场发射平板显示器。 从而场发射阴极材料 也就成为整个纳米材料研究的热点之一。本论文在国家杰出青年、自然科学基金(Nos. 69925409、 10374027)和上海市科委重点科技项目 (No.015211066)的联合资助下，对三种纳米材料、结构，即：纳米 碳管、纳米硅和氧化锌纳米结构的薄膜制备、微结构和其电子场发射 性能进行了深入研究

2、。主要结论和创新性成果如下：1)采用丝网印刷 和电泳淀积方法大面积制备了碳纳米管薄膜，考察了退火处理和氢等离子体处理(HP)工艺对碳纳米管薄膜的影响，发现退火和 HP 处理可 以改善碳纳米管薄膜的场发射性能，并使其开启电场、阈值电场和发射点密度分别达到 1.1、5.3V/ z 和 105/cm2。氢 HP 处理后一 种碳纳米管的新结构被发现。 通过 SEM、TEM、HRTEM、Raman 谱、 XPS和 FTIR 谱研究了氢等离子体处理前后碳纳米管薄膜的表面形貌 和微结构特征，讨论了 HP 处理后的碳纳米管结构变化机制以及其电 性质和场发射性能转变的原因。2)首次对碳纳米管和纳米铁粉共球磨 进

3、行研究。通过SEM 和 TEM 对球磨后碳纳米管的表面形貌和微结 构进行了考察。实验结果显示球磨 8 小时后原碳纳米管的封闭端头被 打开，并在纳米管壁上产生了扭曲变形的石墨层。球磨后碳纳米管薄C 易发表用yiT论女第表匸冢膜的电子场发射性能得到了很大的改善， 开启电场和阈值电场可分别 达到 2.1V/z 和 5.6V/z,发射发射密度可达到 104/cm2。3) 首次利用可溶于有机溶剂的 MWNT-ODA ,通过旋涂技术制备了均匀 的碳纳米管薄膜，通过电子显微镜和显微 Raman 谱表征了 HP 处理前 后的 MWNT-ODA 薄膜，发现 HP 处理后的 MWNT-ODA 薄膜表面被 一层碳纳

4、米颗粒覆盖，并且其场发射性能得到了极大改善，开启电场 和阈值电场分别达到 0.5V/m和 3.2V/m,发射点密度可达到 103104/ cm2。4)首次采用电化学阳极氧化方法在 P 型(100)硅 片上成功制备了颗粒尺寸均匀、摘要脚口旦鱼鱼鱼鱼旦，排列紧密、晶向一致的单晶纳米硅薄膜。并对不同颗粒大小、不同膜厚 和氢等离子体处理前后样品的电子场发射性能进行了测试，实验结果表明，这种纳米硅薄膜具有较低的开启电场， 发射电流和发射点密度适中，是一种有潜力的场发射阴极材料。5)采用热蒸发技术成功制备 了大量四角状和线状 ZnO 纳米结构。该制备工艺不需要真空和使用 其它金属催化剂和添加济，适用于工业

5、化生产。首次研究了这些四角 状 ZnO 纳米结构的电子场发射特性。实验发现其开启电场为1.SV/禅 m 与多壁碳纳米管相当，是一种可替代碳纳米管的有巨大应用潜 力的场发射阴极材料。6)首次采用气相输运方法在有金属填充的多孔 硅、纳米硅衬底上制备了 ZnO 纳米棍、纳米带和纳米柱。通过催化 剂和衬底结构图形化实现了 ZnO 材料的图形化和选区生长。场发射 测试表明，这些样品具有较低的开启电场和阂值电场， 较高的发射点 密度以及均匀一致的发射像。【关键词】：纳米碳管纳米硅晶氧化锌纳米结构场发射氢等离子体处理【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2004【分类号】：O46

6、2【目录】：中文摘要 3-5 英文摘要 5-7 学位论文独创性声明和学位论 文使用授权声明 7-11 第一章绪论 11-361. 1 引言 11-121. 2 几种常见 的平板显示器 12-161 . 3 场发射显示器原理及常用阴极材料 16-191.3.1 场发射显示器原理 161.3.2 场致发射阴极材料 16-191.4 纳米结构的场发射研究进展 19-261. 4. 1 碳纳米管 19-211. 4. 2 多 孔硅 21-251. 4. 3 氧化锌纳米结构 25-261. 5 场发射显示器件研究 和产业化进展 26-291. 6 本论文主要研究内容及意义 29-31 参考文献 31-3

7、6 第二章场致电子发射理论36-522. 1 引言 362. 2 金属的场致电 子发射 36-462. 2. 1 金属尖端的外场致电子发射 36-372. 2. 2 场致 电子发射的定性解释 37-392. 2. 3场致电子发射的定量解析 39-462. 3 半导体外场致发射 46-502. 3. 1 表面势垒的影响 46-482. 3. 2 场致 发射电流公式 48-502. 4 半导体内场致发射 50-51 参考文献 51-52 第 三章碳纳米管阴极制备及场发射性能52-743. 1 碳纳米管概述52-583. 1. 1 结构 52-553. 1. 2 制备方法 553. 1. 3 物理和

8、化学性质 55-583. 2 碳纳米管薄膜阴极制备及后处理工艺58-623. 2. 1 丝网印刷法 58-603.2.2 电泳淀积技术 60-613.2.3 后处理工艺 61-623.3 碳纳米管场发射性能测试62-713. 3 . 1 测试装置及评价参数62-643. 3. 2 性能测试 64-713. 4 本章小结 71-72 参考文献 72-74 第 四章碳纳米管薄膜表征 74-874. 1SEM 和 TEM 表征 74-794. 2Raman 光谱、XPS 和 FTIR 透射光谱 79-834. 3 电性质及氢等离子体处理对 场发射性能改善的原因 83-854. 4 本章小结 85-8

9、6 参考文献 86-87 第 五章球磨、可溶性碳纳米管的电子场发射性能87-1025. 1 高能球磨对多壁碳纳米管的影响87-945. 2 可溶性碳纳米管场发射性能94-995. 3 本章小结 99-101 参考文献 101-102 第六章纳米硅薄膜的电 子场发射性能 102-1136. 1 颗粒尺寸和膜厚的影响 103-1086. 2 纳米 硅与多孔硅薄膜比较及氢等离子体处理的影响108-1106. 3 本章小结110-112 参考文献 112-113 第七章氧化锌纳米结构的制备及场发射性 能113-1337. 1 热蒸发法 113-1227. 1. 1ZnO 纳米结构制备及场发射 性能113-1187. 1. 2 纳米硅和多孔硅衬底上 ZnO 生长及场发射性能 118-1227.2 气相输运法 122-1