氧化鋅納米結構發(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族化合物半導體，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達60meV，遠高于其它寬禁帶半導體材料(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、納米螺旋結構等形貌的ZnO納米結構。其豐富的納米形貌結構和優(yōu)良的光電性能，預示了ZnO納米結構的

2、廣闊應用前景，同時也掀起了世界范圍內對于ZnO材料研究的熱潮。
　　 眾多的研究結果表明，ZnO納米結構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)，用水熱法和氣相轉移法分別制備了不同生長密度和形貌的ZnO納米結構。本文對這

3、些ZnO納米結構進行了SEM、XRD、HRTEM、PL以及場發(fā)射性能的測試和表征。為了進一步提高ZnO納米結構的場發(fā)射性能，本文還深入研究了電場屏蔽效應對于其場發(fā)射性能的影響。最后，本文還提出了一種基于ZnO納米材料的三極結構場發(fā)射顯示器件，并且研究了其在液晶顯示器背光源系統(tǒng)中的應用。
　　 本文主要工作和結論可以概括如下：
　　 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，該納米結構表現(xiàn)出良好的晶體質量。在此基礎上，本文還提出了該ZnO納米結構的生長機制。最后，測試了ZnO納米花的場發(fā)射性能，其開啟電場強度(電流密度達到0.1μA/cm2)為2.2V/μm，閾值電場強度(電流密度達到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納米結構的優(yōu)越性能以及低溫生長工藝特點，可以實現(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，這也預示了其作

5、為場發(fā)射顯示器陰極發(fā)射材料的潛在應用前景。
　　 2.用氣相轉移法方法生長出高場發(fā)射性能注射針狀ZnO納米結構，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(單針尖結構和雙針尖結構)的注射針狀ZnO納米結構。這種ZnO納米結構的場發(fā)射性能優(yōu)異。樣品A和F的閾值電場強度(電流密度達到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納米結構的基座對于其場發(fā)射性能的增強和穩(wěn)定性起到了重要的作用：(1)抬高了納米結構的發(fā)射體針尖，使得整個納米結構的長徑比得到提高；(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對于場發(fā)射性能的影響；(3)基座增大了納米結構與襯底的接觸面積，有效降低了由于焦耳熱效應而損毀納米結構的機率。
　　 3.注射針狀ZnO納米結構的場發(fā)射性能與其生長密度息息相關，電場屏蔽效應和發(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。本文利用計算機模擬和實驗相結合的方法優(yōu)化設計了ZnO發(fā)射體陣列結構：對于單針尖結構，發(fā)射體的間距與其高度差不多時，發(fā)射體陣列的平均電流密度最大。雙針尖結構的發(fā)射體間距是其高度的2倍時，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納米結構發(fā)射體的LCD背光源器件(ZnO BLU)。這個ZnO BLU是由陽極、陰極和柵極組成的三極結構。在柵極的孔洞結構中，用電