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