氧化鋅納米結(jié)構(gòu)發(fā)射性能的研究.pdf

1、氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)是一種重要的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，遠(yuǎn)高于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料(GaN為25meV，ZnSe為22meV)，因此ZnO中的激子能夠在室溫下穩(wěn)定存在。ZnO由于其晶體具有極性特征，研究者生長出了諸如納米棒、納米管、納米帶、納米片、納米環(huán)、納米花、納米螺旋結(jié)構(gòu)等形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)。其豐富的納米形貌結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的光電性能，預(yù)示了ZnO納米結(jié)構(gòu)的

2、廣闊應(yīng)用前景，同時(shí)也掀起了世界范圍內(nèi)對于ZnO材料研究的熱潮。
　　 眾多的研究結(jié)果表明，ZnO納米結(jié)構(gòu)具有良好的電子場致發(fā)射性能，它在場致發(fā)射電子顯微鏡、微型X射線源、冷陰極微波放大器、平板顯示器和陰極熒光光源等器件中有重要的應(yīng)用前景。本論文針對場致發(fā)射平板顯示器對發(fā)射體的特殊技術(shù)要求(例如在玻璃基板上低溫原位生長、高場發(fā)射性能，良好的場發(fā)射穩(wěn)定性等)，用水熱法和氣相轉(zhuǎn)移法分別制備了不同生長密度和形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)。本文對這

3、些ZnO納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SEM、XRD、HRTEM、PL以及場發(fā)射性能的測試和表征。為了進(jìn)一步提高ZnO納米結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能，本文還深入研究了電場屏蔽效應(yīng)對于其場發(fā)射性能的影響。最后，本文還提出了一種基于ZnO納米材料的三極結(jié)構(gòu)場發(fā)射顯示器件，并且研究了其在液晶顯示器背光源系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　 本文主要工作和結(jié)論可以概括如下：
　　 1.本文提出了一種規(guī)則六邊形ZnO納米花的水熱制備方法，并對其作了SEM、XRD、HRTE

4、M和PL的表征，該納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的晶體質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，本文還提出了該ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)制。最后，測試了ZnO納米花的場發(fā)射性能，其開啟電場強(qiáng)度(電流密度達(dá)到0.1μA/cm2)為2.2V/μm，閾值電場強(qiáng)度(電流密度達(dá)到1mA/cm2)為6.3V/μm，并且在1000分鐘的測試過程中，其場發(fā)射性能穩(wěn)定。所以，這種ZnO納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能以及低溫生長工藝特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在場發(fā)射顯示器件的陰極極板上直接生長陰極發(fā)射體，這也預(yù)示了其作

5、為場發(fā)射顯示器陰極發(fā)射材料的潛在應(yīng)用前景。
　　 2.用氣相轉(zhuǎn)移法方法生長出高場發(fā)射性能注射針狀ZnO納米結(jié)構(gòu)，本文通過控制生長溫度、源材料和載氣氣流的方法生長出了不同密度和形貌(單針尖結(jié)構(gòu)和雙針尖結(jié)構(gòu))的注射針狀ZnO納米結(jié)構(gòu)。這種ZnO納米結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能優(yōu)異。樣品A和F的閾值電場強(qiáng)度(電流密度達(dá)到1mA/cm2)分別為4.7和4.2V/μm，并且表現(xiàn)出很好的場發(fā)射穩(wěn)定性，在1000分鐘的測試過程中樣品A的場發(fā)射電流密度波動

6、范圍小于20％。這種ZnO納米結(jié)構(gòu)的基座對于其場發(fā)射性能的增強(qiáng)和穩(wěn)定性起到了重要的作用：(1)抬高了納米結(jié)構(gòu)的發(fā)射體針尖，使得整個(gè)納米結(jié)構(gòu)的長徑比得到提高；(2)基座分隔開了發(fā)射體針尖的間距，有效的降低了電場屏蔽效應(yīng)對于場發(fā)射性能的影響；(3)基座增大了納米結(jié)構(gòu)與襯底的接觸面積，有效降低了由于焦耳熱效應(yīng)而損毀納米結(jié)構(gòu)的機(jī)率。
　　 3.注射針狀ZnO納米結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能與其生長密度息息相關(guān)，電場屏蔽效應(yīng)和發(fā)射體密度共同制約了Zn

7、O冷陰極的總體場致發(fā)射性能。本文利用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了ZnO發(fā)射體陣列結(jié)構(gòu)：對于單針尖結(jié)構(gòu)，發(fā)射體的間距與其高度差不多時(shí)，發(fā)射體陣列的平均電流密度最大。雙針尖結(jié)構(gòu)的發(fā)射體間距是其高度的2倍時(shí)，發(fā)射體陣列能獲得更高的平均電流密度。
　　 4.本文用絲網(wǎng)印刷工藝成功制備了一種基于ZnO納米結(jié)構(gòu)發(fā)射體的LCD背光源器件(ZnO BLU)。這個(gè)ZnO BLU是由陽極、陰極和柵極組成的三極結(jié)構(gòu)。在柵極的孔洞結(jié)構(gòu)中，用電