一維SiC納米晶-非晶復合材料的場發(fā)射性能研究.pdf

1、一維納米SiC材料由于其寬帶隙半導體特性，具有比石墨材料更低的功函數，且具有高的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和機械強度，因而一維納米SiC材料成為場發(fā)射陰極的優(yōu)質備選材料，在大屏幕平板顯示、微波放大器等領域具有大的應用潛力。本文系統(tǒng)地研究了一維SiC納米晶/非晶復合材料(以下簡稱一維納米SiC材料)的制備和場發(fā)射性能，包括與碳納米管場發(fā)射性能的比較及直徑變化對一維納米SiC材料絕對場增強因子的影響。除此之外，還初步研究了室溫下一維納米SiC材料

2、的發(fā)光性能。 以碳納米管這種可控制備技術已很成熟的材料為基礎，用碳納米管做為模板,通過Si原子和碳納米管的固態(tài)反應制備出了不同直徑的垂直取向一維納米SiC材料陣列。XPS、HR-TEM分析表明一維納米SiC材料實際上是非晶態(tài)的a-Si1-xCx(x=0.5)納米纖維和3C-SiC納米晶顆粒組成的復合結構。制備出的一維納米SiC材料有著特殊的“樹狀形貌”。這種特殊的形貌是高溫環(huán)境下Si原子和C原子通過碳管模板外壁的“開口”缺陷進行

3、雙向擴散反應而形成的。 使用使用場發(fā)射測試儀來進行樣品的場發(fā)射性能測試。制備的一維納米SiC材料具有較好的場發(fā)射性能，開啟場強低至1.1V/μm(直徑90nm樣品)，場發(fā)射F-N曲線表現為兩段斜率不同的直線，我們利用一個已有的“頂-邊”發(fā)射模型來解釋這種特殊的場發(fā)射行為。與碳納米管相比較，一維納米SiC材料具有更加優(yōu)異的場發(fā)射性能主要歸因于SiC材料具有比石墨(碳納米管)更低的功函數。同時，一維納米SiC材料的“樹狀”分支結構實

4、際上增加了發(fā)射端的數量，有助于提高場發(fā)射性能，在大場強下沒有出現發(fā)射電流飽和的現象。根據納米管場發(fā)射增強因子與電極間距的普適關系，我們計算出了不同直徑一維納米SiC材料樣品的絕對場增強因子β0，驗證了隨著SiC納米纖維直徑的減小，絕對場增強因子β0呈明顯增大的趨勢，為提高一維納米SiC材料的場發(fā)射性能工藝設計思路提供了依據。 利用熒光光譜儀測試了一維納米SiC材料的發(fā)光性能。室溫下，一維納米SiC材料樣品在波長675nm納米(紅

5、光區(qū))處存在著較強的光發(fā)射，發(fā)光峰的半高峰全寬僅為9.1nm，顯示出良好的單色性，對應PLE譜的峰位在449nm。根據量子尺寸限制效應模型對SiC納米晶帶隙做了理論計算，3.8nm 3C-SiC納米晶的“帶隙”為2.7eV(457nm)，與PLE譜的峰位吻合。結合理論計算的結果，我們用一個“三能級(three level)”模型來解釋SiC納米纖維的發(fā)光機制：從SiC納米晶中激發(fā)的載流子通過非輻射越遷馳豫到界面態(tài)，然后復合發(fā)光。氫化處理