氮化碳粉体的制备及其场发射性能分析

发布时间：2020-06-22 17:57

【摘要】：场致发射显示器(FED)是一种新兴的平板显示器,它综合了阴极射线管(CRT)的高画质和液晶显示器(LCD)的薄型低功耗等平板显示器的许多优点,人们一直关注着其发展的前景。氮化碳是一种由理论预言提出的类似于氮化硅的共价化合物,具有较大的聚合能和力学稳定性。氮化碳除了具有良好的机械特性和化学稳定性,还可能具有比金刚石更小的电子亲和势,所以在场发射方面的潜力引起人们的关注。本文采用溶剂热法制备氮化碳粉体材料,将氮化碳粉体材料沉积到不同衬底表面制成场发射阴极,测试不同衬底的阴极样品的场发射性能。考察工艺条件的改变对其场发射性能的影响。首先,采用溶剂热法,以三聚氯氰和叠氮化钠为原料,二氯甲烷为溶剂,合成了石墨相氮化碳粉体材料。通过XRD、SEM、EDS、FTIR、TGA对产物的晶相结构、组成成分和形貌进行表征,考察了反应温度、反应时间、反应物质量和有机溶剂的量等工艺参数对合成产物的影响。获得了最佳工艺:反应温度200℃、反应时间15h、溶剂的量20ml。合成的氮化碳以球状或类球状为主。其次,根据电泳的原理,设计了电泳液的配方,分别选用钛片、石墨片、碳纤维布三种衬底,在衬底上电泳沉积氮化碳粉体制备场发射阴极,研究了电泳工艺参数的改变对样品场发射阴极的性能影响。结果表明:(1)以钛片为衬底时,研究了电泳时间、电泳电压、电泳液浓度、氮化碳含量、热处理温度等参数对场发射阴极的影响,得到最佳实验条件:电泳时间3min、电泳电压30V、电泳液中钛粉、碘和氮化碳分别为10mg、20mg、15mg、热处理温度为400℃,该条件下制备的样品其开启电场为5.20 V/mm,在电场为14 V/mm时场发射电流密度为105mA/cm~2。(2)以碳纤维布为衬底时,研究了电泳时间、电泳电压、电泳液浓度、氮化碳含量等参数对场发射阴极的性能影响。得到最佳实验条件:电泳时间3min、电泳电压45V、电泳液中钛粉、碘和氮化碳为10mg、20mg、20mg,该条件下样品的开启电场为0.23 V/mm,在电场为1.2 V/mm时场发射电流密度为300mA/cm~2。(3)以石墨为衬底时,研究了电泳时间、电泳电压、电泳液浓度、氮化碳含量等参数对场发射阴极的性能影响。得到最佳实验条件:电泳时间6min、电泳电压60V、电泳液中钛粉、碘和氮化碳为10mg、20mg、20mg,该条件下样品的开启电场为3.15 V/mm,在电场为8V/mm时场发射电流密度为200mA/cm~2。再次,采用溶剂热法直接在碳纤维布和石墨两种衬底上生长氮化碳粉体,制备场发射阴极,改变反应温度、反应时间、溶剂的量等工艺参数,通过对样品的结构、形貌和性能的表征,探究工艺参数条件对样品场发射性能的综合影响。结果表明:(1)碳纤维布衬底上生长氮化碳粉体制备场发射阴极,反应温度为200℃、反应时间为15h、溶剂的量为20ml时样品的场发射性能最好。该条件下样品的开启电场为0.35V/mm,在电场为1.4V/mm时场发射电流密度为160mA/cm~2。(2)石墨衬底上生长氮化碳粉体制备场发射阴极,反应温度为220℃、反应时间为15h、溶剂的量为25ml时的样品的场发射性能最好。该条件下样品的开启电场为4.08V/mm,在电场为18V/mm时场发射电流密度为290mA/cm~2。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.16;TB383.3
【图文】：

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图 1-1 半导体能带弯曲示意图体能带弯曲，电子转移到导带中，而宽禁带半导体具有负的电子亲逸出。表面态[23]对半导体场发射的影响也是要考虑的。材料的表面其电子状态与体内不同，因而在半导体禁带中产生附加的能级，或挂键。在外加的电场下，半导体的表面势垒高度和费米能级降低。不平衡的表面能级[24]。表面能级产生表面电荷，在表面区域产生内的电场，导致屏蔽。因此，表面态的存在使外加电场产生屏蔽作用[化碳材料概述化碳的发现碳（C3N4）是实验室合成的而不是天然物质，最早报道的时间在 19 世通过对硫氰酸盐[27, 28]、三嗪化合物[29]和七嗪化合物[30]等进行热解制

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第一章绪论1.3.2 氮化碳材料的理论结构Liu 和 Cohen 理论计算得出了 -C3N4的晶体结构[45]，极大地激发了研究人员的究热情。1996 年，D.M.Teter 和 R.J.Hemley[46]利用第一性赝势能带法通过计算认为化碳有 5 种结构类型，即相、相、立方相、准立方相以及类石墨相[47]。除了类石相外，其他 4 种结构物质的硬度都可以与金刚石相比拟[48]。类石墨相密度最低，能也最低；立方晶相体积最小，密度最高，其能量也比类石墨相高 0.13eV[49]。在这 5 C3N4结构中，类石墨相最稳定。在硬质相的C3N4结构中，相最稳定。

【参考文献】