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·