氧化锌纳米线场发射技术研究.pdfVIP

摘要

摘要

随着人们对碳纳米管场发射阴极的深入研究，研究人员又发现了许多新型的

一维纳米材料可作为场发射阴极使用，氧化锌作为直接带隙半导体，具有独特的

物理和化学性质，同时还有较大的长径比，研究人员可通过控制制备过程中的工

艺参数，有效调控氧化锌的生长形态，从而优化其场发射性能，因此氧化锌作为

场发射阴极具有相当的现实意义和实用价值。

本文基于场致发射原理，结合OPERA-3D仿真研究影响纳米线场发射的因素，

利用磁控溅射、水热生长等工艺控制氧化锌纳米线生长形貌，制备出场发射性能

良好的氧化锌纳米线场发射阴极，并对其场发射性能进行研究，本文的工作和研

究成果主要分为以下几点：

1、从理论出发，采用OPERA-3D软件，对氧化锌纳米线三极管场致发射进行

了模拟仿真，通过改变氧化锌纳米线的结构和电学参数，研究纳米线长径比、栅

压、阴栅间距、纳米线阵列密度和栅网结构对纳米线场致发射的影响，仿真结果

表明，纳米线的长径比和阴栅距离是影响其场致发射性能的重要参数，同时为了

降低纳米阵列场屏蔽效应的影响，应合理控制纳米阵列密度，最后在实际测试中，

选择六边形栅网结构能够有效提高阴极发射电子的通过率。

2、纯氧化锌纳米线场发射阴极的制备与性能分析。采用磁控溅射技术在硅片

上制备氧化锌籽晶层，后利用水热法生长氧化锌纳米线阵列，通过对其形貌分析

和场发射测试确定较为合适的生长参数：(a)籽晶层厚度为150-170nm；(b)反应溶

0.03M(c)80℃

液浓度为六次甲基四胺和乙酸锌的等比反应溶液；水浴加热温度；

(d)长时间生长20h。当电场强度达到5V/μm的情况下时，生长20h的氧化锌纳

2

米线阵列的场发射电流密度为154.69μA/cm。最后对其三极管结构进行场发射测

试。

3、铝掺杂氧化锌纳米线场发射阴极的制备与性能分析。利用第一性原理对氧

化锌掺杂铝前后能带结构进行分析，后通过对不同铝掺杂浓度的氧化锌纳米线场

发射进行测试，得到最佳的质量掺杂比为Zn:Al40:1，铝掺杂情况下的氧化锌

纳米线阵列比纯氧化锌纳米线阵列的场致发射效果更加良好，当电场强度为4

2

V/μm的情况下时，铝掺杂的氧化锌纳米线场发射电流密度达到了165.43μA/cm。

后对铝掺杂的氧化锌纳米线阵列进行三极管结构测试。

关键词：氧化锌纳米线，场致发射，磁控溅射，水热生长，铝掺杂

I

ABSTRACT

ABSTRACT

Withthein-depthstudyofcarbonnanotubefieldemissioncathode,researchers

foundmanynewone-dimensionalnanomaterialswhichcanbeusedasfieldemission

cathode.ZnOasadirectbandgapsemiconductor,hasuniquephysicalandchemical

properties,aswellasalargeaspectratio.Researcherscaneffectivelyregulatethe

growthmorphologyofZnObycontrollingtheprocessparametersduringthe

preparationprocess,therebyoptimizingitsfieldemissionperformance.Therefore,ithas