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

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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。
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