D0I:10.13374/i.issnl00103.2007.s2.060 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2007 影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 倪赛力)常永勤) 陈喜红)张寅虎)多永正) 强文江) 龙 毅) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京大学物理学院，北京100871 摘要采用物理气相沉积的方法通过控制生长参数，在硅衬底上获得不同形貌的氧化锌纳米阵列·在金属场发射系统中测 量了它们的场致电子发射性能，发现阴极发射电流不稳定主要是由于氧化锌纳米阵列的不均匀性造成的·采用高压励炼技术 可以增强氧化锌场发射的稳定性，使电流波动明显降低。此外，形貌对氧化锌纳米阵列的场发射电流密度和阈值电压有明显 影响，而且不同形貌的氧化锌纳米阵列的抗溅射能力也不相同 关键词氧化锌纳米阵列；场发射：形貌：稳定性 分类号TN304.21 氧化锌(Z0)是六方纤维锌矿结构的直接宽禁 再充入一定量的氩氧混合气体（氧的体积分数为 带半导体，室温下的禁带宽度为3.37eV,它有较高 5%)直至生长结束.保温一定时间后关闭电源，使 的激子结合能(60meV)和极大的光增益因子(300 炉子自然冷却至室温，三种形貌的样品的具体实验 cm一)，是一种具有广泛应用前景的新一代短波光 参数如表1所示 电功能材料山.近年来，小尺度Z0纳米结构的研 表I样品A.B.C的实验参数 究受到广泛的关注，并且采用纳米氧化锌已经制作 氩氧混合 出纳米激光器)、平板显示器)、纳米场效应管 样生长温生长时 氩气流量/ 炉内压 气体流量/ 品度/℃间/mim(10-6m3s) 强/MPa 等.纳米Zn0具有很大的长径比，而且Zn0本身具 (10-6m3s 有很高的热稳定性、化学稳定性和良好的抗溅射能 A 500 300 200 5 0.005 力，它来源丰富，价格低廉。因而纳米Z0也是一 B 500 100 150 5 0.080 种很有发展前途的场发射材料之一，制备氧化锌纳 C 500 200 200 20 0.100 米结构的方法很多，如激光蒸发法可]、化学气相沉 积法可、金属有机物CVD门、溶液法8]和电化学沉 采用扫描电镜(SEM)观察了样品的形貌，在一 积方法[]等，目前己经制备出线状]、针状山以及 套金属真空场发射系统中测量了样品的场致电子发 四角针状12]等不同形态的Z0纳米结构，并分析 射性能，场发射系统由旋片泵、涡轮分子泵和溅射离 了它们的场发射性能.纳米Z0的形貌不同会明 子泵组成，系统的真空度可达10一Pa,阴极为圆柱 显影响其发射性能以及发射电流的稳定性，目前关 形不锈钢样品台（直径约为2cm),阳极为一块接地 于这方面的报道很少.本文采用物理气相沉积的方 的直径约10cm的圆形不锈钢平板，阴阳极之间的 法制备出不同形貌的Z如0纳米阵列，并探讨了它们 测试距离通过螺旋测微器调节，阴极样品台下方有 的场发射性能 灯丝可以对样品进行加热，所有样品在测试前均加 热15min以去除可能吸附的气体. 1 实验 2结果与分析 将高纯锌粉(4N)放入石英舟中作为蒸发源，作 为接收衬底的(100)硅片垂直放置在Zn源的正上 通过控制不同生长参数制备出三种不同形貌的 方，然后将石英舟放入水平管式炉中，将系统封闭， 氧化锌纳米阵列，如图1所示，它们均垂直于硅衬 充入氩气清洗三次后，将其流量改为一定的值并保 底取向生长.其中样品A中的纳米柱呈酒瓶状，柱 持系统内所需的压强。将炉子升温至500℃，此时 下部的直径约为90nm,上部的直径约为30nm(图1 (a);样品B的纳米柱的顶端为半球形，直径约400 收稿日期：2007-10-23 nm(图1(b)):样品C由平顶六角形的柱体组成，柱 基金项目：国家自然科学基金(N。,50502005):北京市自然科学基 金(No,1062008):“新世纪优秀人才计划”资助 的平均直径约2.7m(图1(c) 作者简介：倪赛力(1968一)，男，副研究员，博士研究生
影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 倪赛力1） 常永勤1） 陈喜红2） 张寅虎1） 多永正1） 强文江1） 龙 毅1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京大学物理学院北京100871 摘 要 采用物理气相沉积的方法通过控制生长参数在硅衬底上获得不同形貌的氧化锌纳米阵列．在金属场发射系统中测 量了它们的场致电子发射性能发现阴极发射电流不稳定主要是由于氧化锌纳米阵列的不均匀性造成的．采用高压励炼技术 可以增强氧化锌场发射的稳定性使电流波动明显降低．此外形貌对氧化锌纳米阵列的场发射电流密度和阈值电压有明显 影响而且不同形貌的氧化锌纳米阵列的抗溅射能力也不相同． 关键词 氧化锌纳米阵列；场发射；形貌；稳定性 分类号 T N304∙21 收稿日期：2007-10-23 基金项目：国家自然科学基金（No．50502005）；北京市自然科学基 金（No．1062008）；“新世纪优秀人才计划”资助 作者简介：倪赛力（1968—）男副研究员博士研究生 氧化锌（ZnO）是六方纤维锌矿结构的直接宽禁 带半导体室温下的禁带宽度为3∙37eV它有较高 的激子结合能（60meV）和极大的光增益因子（300 cm —1）是一种具有广泛应用前景的新一代短波光 电功能材料［1］．近年来小尺度 ZnO 纳米结构的研 究受到广泛的关注并且采用纳米氧化锌已经制作 出纳米激光器［2］、平板显示器［3］、纳米场效应管［4］ 等．纳米 ZnO 具有很大的长径比而且 ZnO 本身具 有很高的热稳定性、化学稳定性和良好的抗溅射能 力它来源丰富价格低廉．因而纳米 ZnO 也是一 种很有发展前途的场发射材料之一．制备氧化锌纳 米结构的方法很多如激光蒸发法［5］、化学气相沉 积法［6］、金属有机物 CVD ［7］、溶液法［8］和电化学沉 积方法［9］等目前已经制备出线状［10］、针状［11］以及 四角针状［12］ 等不同形态的 ZnO 纳米结构并分析 了它们的场发射性能．纳米 ZnO 的形貌不同会明 显影响其发射性能以及发射电流的稳定性目前关 于这方面的报道很少．本文采用物理气相沉积的方 法制备出不同形貌的 ZnO 纳米阵列并探讨了它们 的场发射性能． 1 实验 将高纯锌粉（4N）放入石英舟中作为蒸发源作 为接收衬底的（100）硅片垂直放置在 Zn 源的正上 方然后将石英舟放入水平管式炉中．将系统封闭 充入氩气清洗三次后将其流量改为一定的值并保 持系统内所需的压强．将炉子升温至500℃此时 再充入一定量的氩氧混合气体（氧的体积分数为 5％）直至生长结束．保温一定时间后关闭电源使 炉子自然冷却至室温．三种形貌的样品的具体实验 参数如表1所示． 表1 样品 A、B、C 的实验参数 样 品 生长温 度／℃ 生长时 间／min 氩气流量／ （10—6·m 3·s —1） 氩氧混合 气体流量／ （10—6·m 3·s —1） 炉内压 强／MPa A 500 300 200 5 0∙005 B 500 100 150 5 0∙080 C 500 200 200 20 0∙100 采用扫描电镜（SEM）观察了样品的形貌．在一 套金属真空场发射系统中测量了样品的场致电子发 射性能场发射系统由旋片泵、涡轮分子泵和溅射离 子泵组成系统的真空度可达10—7 Pa．阴极为圆柱 形不锈钢样品台（直径约为2cm）阳极为一块接地 的直径约10cm 的圆形不锈钢平板阴阳极之间的 测试距离通过螺旋测微器调节．阴极样品台下方有 灯丝可以对样品进行加热所有样品在测试前均加 热15min 以去除可能吸附的气体． 2 结果与分析 通过控制不同生长参数制备出三种不同形貌的 氧化锌纳米阵列如图1所示．它们均垂直于硅衬 底取向生长．其中样品 A 中的纳米柱呈酒瓶状柱 下部的直径约为90nm上部的直径约为30nm（图1 （a））；样品 B 的纳米柱的顶端为半球形直径约400 nm（图1（b））；样品 C 由平顶六角形的柱体组成柱 的平均直径约2∙7μm（图1（c））． 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．060
Vol.29 Suppl.2 倪赛力等：影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 .123. 500nm m 10 um 图1氧化锌纳米阵列的SM像，(a)、(b)、(c)分别对应于样品A、B、C. 图2为样品A的场发射电流密度J和外加场 起B的不同，从而导致它们的表面电场不相同（式 强E之间的关系曲线，阴阳极之间的测量距离为 200m·曲线a为样品A首次加高压测量的结果， (②).那些最尖的、最突出的Z0纳米柱的么值比 其开启电压为5V1(定义发射电流密度为10 较大，也就是说B值比较大，则会比其他纳米柱优 Acm一2时所加的外电场为开启电场Eoa),此时的 先达到电场阈值而首先开始发射，在不断加压过程 10 中，样品A中最尖的、最突出的发射点由于局部电 流密度高会导致其形貌逐渐受到部分破坏，或者尖 -9-a 锐的部分被轰击掉，接着次突出的纳米柱开始发射， ★b 6 --c 从而引起发射电流的波动（曲线a)·而经过高压励 炼后，发射体的高度和顶端尖锐度的一致性比较好， 因而发射电流相对比较稳定（曲线b)·在碳纳米管 实验中也发现了类似的现象可1，曲线a中发射电 流起伏的另外一种原因可能是由于刚开始测量时真 1216 20 空腔内残留气体中仍存在少量水蒸气，这些水分子 E/kV.μm) 在电场作用下，不停地在样品表面脱附和吸附，引起 表面电场的变化而导致发射电流的不稳定[16)].励 图2样品A在不同测量次数下的E一J关系曲线 炼后样品的场发射开启电压略有升高，也说明水分 E一J曲线不是很光滑，电流存在起伏现象，在相同 子的吸附有助于场发射.经过第一次加电压测试 距离下再次测量时，发现发射曲线变得比较光滑，但 后，相当于对Zn0纳米棒进行了热处理，这样很大 是开启电压升高到12.5V%m-1(曲线b).这可能 程度上进一步清洁了Zn0表面，从而大大提高了发 是由于Z0纳米阵列的不均匀导致了一些发射点 射的稳定性（曲线b),在相同的距离下进行第三次 优先发射.采用Fowler-Nordheim(FN)模型来描述 测量，获得的场发射电流一电压的关系与第二次基 Zn0纳米阵列的电子发射行为13] 本重合（曲线c),在后续的重复测量中，E一J曲线 也没有发生明显的变化，这说明励炼后的样品的发 ga- (1) 射电流稳定性很好，而且具有可重复性， 式中A和B为常数，A=1.56×10-10(A·eV· 图3(a)和(b)分别为样品A、B、C第一次和第二 V-3),B=6.83X103(Vhm-1eV-32).9为发射 次的场发射测量结果，阴阳极之间的距离均为200 m·由图3(a)可知，首次测量时，在相同的测量距 尖端局部功函数，E为发射体附近的局域电场，可 离下，样品A的场发射性能比样品C和B的好.但 以写成外加电场E与几何增强因子B的乘积，即 是在高压励炼之后，样品C的场发射性能优于A和 Eloe=BE (2) B(图3(b)·表2给出了三个样品两次测量的阈值 根据Edgcombe等人的计算可知，B与2.5十 电压（电流密度为1mAcm-2时所对应的外加电场 h0.9 强度，记为E),可知样品C的阈值电压变化最小， 成正比，式中h和r分别为发射体的高度和 B次之，A的变化最大，即在第一次测量之后，样品 直径，也就是说Zn0纳米柱几何形状的差异会引 A的发射性能明显降低，而样品C的抗轰击性最
图1 氧化锌纳米阵列的 SEM 像（a）、（b）、（c）分别对应于样品 A、B、C． 图2为样品 A 的场发射电流密度 J 和外加场 强 E 之间的关系曲线阴阳极之间的测量距离为 200μm．曲线 a 为样品 A 首次加高压测量的结果 其开启电压为5V·μm —1（定义发射电流密度为10 μA·cm —2时所加的外电场为开启电场 Eon）此时的 图2 样品 A 在不同测量次数下的 E－J 关系曲线 E—J 曲线不是很光滑电流存在起伏现象．在相同 距离下再次测量时发现发射曲线变得比较光滑但 是开启电压升高到12∙5V·μm —1（曲线 b）．这可能 是由于 ZnO 纳米阵列的不均匀导致了一些发射点 优先发射．采用 Fowler—Nordheim（FN）模型来描述 ZnO 纳米阵列的电子发射行为［13］： J＝ AE 2 loc φ exp — Bφ 2 3 Eloc （1） 式中 A 和 B 为常数A ＝1∙56×10—10（A·eV· V —2）B＝6∙83×103（V·μm —1·eV —3／2）．φ为发射 尖端局部功函数Eloc为发射体附近的局域电场可 以写成外加电场 E 与几何增强因子β的乘积即 Eloc＝βE （2） 根据 Edgcombe 等人的计算可知［14］β与 2∙5＋ h r 0∙9 成正比式中 h 和 r 分别为发射体的高度和 直径．也就是说 ZnO 纳米柱几何形状的差异会引 起β的不同从而导致它们的表面电场不相同（式 （2））．那些最尖的、最突出的 ZnO 纳米柱的 h r 值比 较大也就是说 β值比较大则会比其他纳米柱优 先达到电场阈值而首先开始发射．在不断加压过程 中样品 A 中最尖的、最突出的发射点由于局部电 流密度高会导致其形貌逐渐受到部分破坏或者尖 锐的部分被轰击掉接着次突出的纳米柱开始发射 从而引起发射电流的波动（曲线 a）．而经过高压励 炼后发射体的高度和顶端尖锐度的一致性比较好 因而发射电流相对比较稳定（曲线 b）．在碳纳米管 实验中也发现了类似的现象［15］．曲线 a 中发射电 流起伏的另外一种原因可能是由于刚开始测量时真 空腔内残留气体中仍存在少量水蒸气这些水分子 在电场作用下不停地在样品表面脱附和吸附引起 表面电场的变化而导致发射电流的不稳定［16］．励 炼后样品的场发射开启电压略有升高也说明水分 子的吸附有助于场发射．经过第一次加电压测试 后相当于对 ZnO 纳米棒进行了热处理这样很大 程度上进一步清洁了 ZnO 表面从而大大提高了发 射的稳定性（曲线 b）．在相同的距离下进行第三次 测量获得的场发射电流—电压的关系与第二次基 本重合（曲线 c）．在后续的重复测量中E—J 曲线 也没有发生明显的变化这说明励炼后的样品的发 射电流稳定性很好而且具有可重复性． 图3（a）和（b）分别为样品 A、B、C 第一次和第二 次的场发射测量结果阴阳极之间的距离均为200 μm．由图3（a）可知首次测量时在相同的测量距 离下样品 A 的场发射性能比样品 C 和 B 的好．但 是在高压励炼之后样品 C 的场发射性能优于 A 和 B（图3（b））．表2给出了三个样品两次测量的阈值 电压（电流密度为1mA·cm —2时所对应的外加电场 强度记为 Ethr）可知样品 C 的阈值电压变化最小 B 次之A 的变化最大．即在第一次测量之后样品 A 的发射性能明显降低而样品 C 的抗轰击性最 Vol．29Suppl．2 倪赛力等： 影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 ·123·
.124 北京科技大学学报 2007年增刊2 好.由图1可知，样品C中柱的直径最大，因而稳定 大部分区域和测量之前（图1(a)相比没有明显变 性相对也比较好，所以在加高压励炼后，其阈值电压 化，仅有小部分区域出现尖端被熔化成球状的现象 的值变化并不大，而样品A中纳米柱的直径比较 (图4中I和Ⅱ区)，在发射电流密度非常大的个别 小，经过高压轰击后，优先发射点已经被毁掉，导致 区域，样品被击穿熔化出环形坑（图4中Ⅲ区），直径 样品A整体的场发射性能下降，采用扫描电镜观察 约3m,坑周围的尖端部分也被严重融化成球状 样品A首次加高压测量后的形貌像，发现样品表面 18 10 ●样品A 15 一◆一样品A 青样品B 一一样品B ■样品C 12 -■一样品C 6 94 4 月 6 9 1215 18 369立18224 E/(V.μm) E/V.μm) 图3样品A.B.C第-次(a)和第二次(b)测量的E广J关系曲线 表2样品A.B.C第一次和第二次测量的阑值电压 这些棱角处形成非常强的电场，足够使柱的棱角处 样品A的阈值电样品B的阈值电样品C的阈值电 发生场致电子发射，因而样品C的场发射性能比较 测量 压/(Vm-压/(Vm-)压/(vm-) 好，由上述结果可知，从发射电流大小的稳定性角 第一次 10.9 18.3 13.8 度考虑，样品C的这种形貌更有利于获得较好的场 第二次 17.0 20.4 15.2 发射效果.此外，图3和表2也说明样品场发射阈 差值 6.1 2.1 1.4 值的大小应以测量达到稳定时的值为标准，首次测 量的结果并不能真实反应样品的场发射性能 3结论 本文采用简单的物理蒸发方法在500℃时于 (100)硅衬底上制备出不同形貌的Zn0纳米阵列. 在金属场发射系统中测量了样品的场致电子发射性 能，发现屏蔽效应会导致Z0纳米阵列的部分发射 点优先发射，而场发射性能稳定时则为大面积Z0 纳米柱场致电子发射的平均结果，此外，形貌对 Z0纳米阵列的场发射性能有明显的影响，不同形 貌的Zn0纳米阵列的抗溅射能力也不相同， 2μm 参考文献 图4样品A首次场发射测量之后的SEM像 [1]Huang M,Wu Y,Feick H.et al.Roomtemperature ultraviolet 在两次测量结果中，样品B的场发射效果都是 nanowire nanolasers.Science.2001,292:1897 最差的，这主要是由于它的纳米柱的高度比较一 [2]Johnson J C.Yan H Q.Schaller R D.et al.Single nanowire lasers-J Phys Chem B.2001.105:11387 致，导致屏蔽效应比较明显，另外，纳米柱的顶部为 [3]Lee C J.LeeT J.Lyu SC.Field emission from well-aligned zinc 半球形，尖端效应不明显，这也是导致它场发射性能 oxide nanowires grown at low temperature.Appl Phys Lett, 不高的原因之一·样品C中柱的直径虽然比较大， 2002.81,3648 但是各个柱体之间的高度差异较大，而且顶部为六 [4]Park Won II.Kim JS.Yi G C,et al.Fabrication and electrical 角形，柱顶边缘处的棱角非常明显，高压下可以在 characteristics of high performance ZnO nanorod field-effect tran- sistors.Appl Phys Lett.2004.85:5052
好．由图1可知样品 C 中柱的直径最大因而稳定 性相对也比较好所以在加高压励炼后其阈值电压 的值变化并不大．而样品 A 中纳米柱的直径比较 小经过高压轰击后优先发射点已经被毁掉导致 样品 A 整体的场发射性能下降．采用扫描电镜观察 样品 A 首次加高压测量后的形貌像发现样品表面 大部分区域和测量之前（图1（a））相比没有明显变 化仅有小部分区域出现尖端被熔化成球状的现象 （图4中Ⅰ和Ⅱ区）．在发射电流密度非常大的个别 区域样品被击穿熔化出环形坑（图4中Ⅲ区）直径 约3μm坑周围的尖端部分也被严重融化成球状． 图3 样品 A、B、C 第一次（a）和第二次（b）测量的 E－J 关系曲线 表2 样品 A、B、C 第一次和第二次测量的阈值电压 测量 样品 A 的阈值电 压／（V·μm —1） 样品 B 的阈值电 压／（V·μm —1） 样品 C 的阈值电 压／（V·μm —1） 第一次 10∙9 18∙3 13∙8 第二次 17∙0 20∙4 15∙2 差值 6∙1 2∙1 1∙4 图4 样品 A 首次场发射测量之后的 SEM 像 在两次测量结果中样品 B 的场发射效果都是 最差的．这主要是由于它的纳米柱的高度比较一 致导致屏蔽效应比较明显．另外纳米柱的顶部为 半球形尖端效应不明显这也是导致它场发射性能 不高的原因之一．样品 C 中柱的直径虽然比较大 但是各个柱体之间的高度差异较大而且顶部为六 角形柱顶边缘处的棱角非常明显．高压下可以在 这些棱角处形成非常强的电场足够使柱的棱角处 发生场致电子发射因而样品 C 的场发射性能比较 好．由上述结果可知从发射电流大小的稳定性角 度考虑样品 C 的这种形貌更有利于获得较好的场 发射效果．此外图3和表2也说明样品场发射阈 值的大小应以测量达到稳定时的值为标准首次测 量的结果并不能真实反应样品的场发射性能． 3 结论 本文采用简单的物理蒸发方法在500℃时于 （100）硅衬底上制备出不同形貌的 ZnO 纳米阵列． 在金属场发射系统中测量了样品的场致电子发射性 能发现屏蔽效应会导致 ZnO 纳米阵列的部分发射 点优先发射而场发射性能稳定时则为大面积 ZnO 纳米柱场致电子发射的平均结果．此外形貌对 ZnO 纳米阵列的场发射性能有明显的影响不同形 貌的 ZnO 纳米阵列的抗溅射能力也不相同． 参 考 文 献 ［1］ Huang MWu YFeick Het al．Room-temperature ultraviolet nanowire nanolasers．Science2001292：1897 ［2］ Johnson J CYan H QSchaller R Det al．Single nanowire lasers．J Phys Chem B2001105：11387 ［3］ Lee C JLee T JLyu S C．Field emission from wel-l aligned zinc oxide nanowires grown at low temperature．Appl Phys Lett 200281：3648 ［4］ Park Won IIKim J SYi G Cet al．Fabrication and electrical characteristics of high-performance ZnO nanorod field-effect transistors．Appl Phys Lett200485：5052 ·124· 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊2
Vol.29 Suppl.2 倪赛力等：影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 .125. [5]Jie JS.Wang GZ,Chen Y M.et al.Synthesis and optical prop- [11]Wang R C.Liu C P,Huang J L,et al.ZnO nanopencils:Effi- erties of well-aligned ZnO nanorod array on an undoped Zno film. cient field emitters.Appl Phys Lett.2005.87:013110 Appl Phy Lett.2005.86:031909 [12]Li Q H.Wan Q,Chen Y J,et al.Stable field emission from te- [6]Seung Y B.Hee WS,Hyun C C,et al.Heterostructures of Zno trapod like ZnO nanostructures.Appl Phys Lett.2004.85: nanorods with various onedimensional nanostructures.J Phys 636 Chem B,2004,108:12318 [13]Fowler R H.Nordheim L W.Electron emission in intense elec- [7]Wu P,Saraf G.Lu Y C.et al.Ion-beam-induced sharpening of tric fields.Proc Roy Soc Lond Ser A.1928.119:173 ZnO nanotips.Appl Phys Lett.2004.85:1247 [14]Edgcombe C J.Valdre U.Experimental and computational [8]Govender K DS.Brien P O.Room temperature lasing observed study of field emission characteristics from amorphous carbon from ZnO nanocolumns grown by aqueous solution deposition. single nanotips grown by carbon contamination I.Experiments Adv Mater,2002,14:1221 and computation.Philos Mag B.2002.82:987 [9]Li Y.Meng D W,Zhang L D.et al.Ordered semiconductor ZnO [15]Collins P G.Zettle A.Unique characteristics of cold cathode nanowire arrays and their photoluminescence properties.Appl carbon nanotube matrix field emitters.Phys Rev B.1997.55: Phys Lett,.2000,76:2011 9391 [10]Lee C Y,Tseng T Y.LiS Y,et al.Electrical characterizations [16]Zhang H Z.Zhu Y W.Wang R M.Effect of adsorbates on of a controllable field emission triode based on low temperature fieldelectron emission from Zn0 nanoneedle arrays.J Appl synthesized ZnO nanowires.Nanotechnology.2006.17:83 Phys,2004,96,624 Field emission from well-aligned ZnO nanorods NI Saili,CHANG Yongqin),CHEN Xihong2),ZHANG Yinhu),DUO Yongzheng,QIANG Wen- jiang,LONG Yi) 1)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Physics.Peking University.Beijing 100871.China ABSTRACI Well-aligned zinc oxide nanorods with different morphologies were fabricated on silicon substrates via a simple thermal evaporation method.The field emission measurements of these ZnO arrays show that the e- mission instability was mainly caused by the non uniformity of emission tips in the arrays.DC ageing process was adopted and found that it was an effective way to improve the emission stability.The morphology of ZnO arrays has also effected obviously on the field emission property,and the optimized morphology exhibits better field emission property. KEY WORDS ZnO arrays;field emission;morphology;stability
［5］ Jie J SWang G ZChen Y Met al．Synthesis and optical properties of wel-l aligned ZnO nanorod array on an undoped ZnO film． Appl Phy Lett200586：031909 ［6］ Seung Y BHee W SHyun C Cet al．Heterostructures of ZnO nanorods with various one-dimensional nanostructures．J Phys Chem B2004108：12318 ［7］ Wu PSaraf GLu Y Cet al．Ion-beam-induced sharpening of ZnO nanotips．Appl Phys Lett200485：1247 ［8］ Govender K D SBrien P O．Room-temperature lasing observed from ZnO nanocolumns grown by aqueous solution deposition． Adv Mater200214：1221 ［9］ Li YMeng D WZhang L Det al．Ordered semiconductor ZnO nanowire arrays and their photoluminescence properties．Appl Phys Lett200076：2011 ［10］ Lee C YTseng T YLi S Yet al．Electrical characterizations of a controllable field emission triode based on low temperature synthesized ZnO nanowires．Nanotechnology200617：83 ［11］ Wang R CLiu C PHuang J Let al．ZnO nanopencils：Efficient field emitters．Appl Phys Lett200587：013110 ［12］ Li Q HWan QChen Y Jet al．Stable field emission from tetrapod-like ZnO nanostructures．Appl Phys Lett200485： 636 ［13］ Fowler R HNordheim L W．Electron emission in intense electric fields．Proc Roy Soc Lond Ser A1928119：173 ［14］ Edgcombe C JValdre U．Experimental and computational study of field emission characteristics from amorphous carbon single nanotips grown by carbon contamination Ⅰ．Experiments and computation．Philos Mag B200282：987 ［15］ Collins P GZettle A．Unique characteristics of cold cathode carbon-nanotube-matrix field emitters．Phys Rev B199755： 9391 ［16］ Zhang H ZZhu Y WWang R M．Effect of adsorbates on field-electron emission from ZnO nanoneedle arrays．J Appl Phys200496：624 Field emission from wel-l aligned ZnO nanorods NI Saili 1）CHA NG Yongqin 1）CHEN Xihong 2）ZHA NG Y inhu 1）DUO Yongz heng 1）QIA NG Wenjiang 1）LONG Y i 1） 1） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Department of PhysicsPeking UniversityBeijing100871China ABSTRACT Wel-l aligned zinc oxide nanorods with different morphologies were fabricated on silicon substrates via a simple thermal evaporation method．The field emission measurements of these ZnO arrays show that the emission instability was mainly caused by the non-uniformity of emission tips in the arrays．DC ageing process was adopted and found that it was an effective way to improve the emission stability．The morphology of ZnO arrays has also effected obviously on the field emission propertyand the optimized morphology exhibits better field emission property． KEY WORDS ZnO arrays；field emission；morphology；stability Vol．29Suppl．2 倪赛力等： 影响氧化锌纳米材料场发射性能的因素 ·125·