水热法制备ZnO纳米线阵列及其场发射特性的研究

发布时间：2017-08-03 14:10

  本文关键词：水热法制备ZnO纳米线阵列及其场发射特性的研究

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【摘要】：场发射显示器件作为一种新兴的平板显示器,发展极其迅速。它结合了阴极射线管(CRT)和平板显示器的诸多优点,具有广阔的应用前景。作为宽禁带氧化物半导体材料,ZnO具有良好的化学稳定性、抗氧化性、形貌可控性,是一种很好的场发射显示器件的阴极材料。因此,本课题采用水热法制备本征ZnO纳米线阵列,且对其结构、形貌进行表征以及研究样品的场发射性能,并分析ZnO纳米线阵列的生长机理和场发射机理。在此基础上,为了进一步提高场发射性能,如降低其开启电场和提高场发射增强因子,本论文对ZnO纳米线阵列进行了Al、La、Cr掺杂,分析Al、La、Cr掺杂对样品场发射性能的影响。主要结论如下：(1)采用溶胶-凝胶法和水热法,通过改变水热工艺参数,在通过溶胶-凝胶法镀有ZnO种子层的衬底上制备ZnO纳米线阵列。比较不同工艺参数对样品结构和形貌的影响,通过极差分析确定因素主次,并优化水热工艺参数。结果表明：在水热优化工艺参数(Zn2+浓度：0.08mol/L, [OH-]/[Zn2+]:20,反应温度：100℃,反应时间：4h)下,所制备ZnO纳米线阵列的开启电场为3.16V/μm,场增强因子为2889。当发射电流到达100μA时,经过30h衰减了90%。.(2)在优化工艺参数的基础上,对ZnO纳米线阵列初步进行浓度为4.5%的Al掺杂,将掺杂样品的场发射性能与本征样品相比较,表明A1：4.5%掺杂ZnO纳米线阵列具有较好的场发射性能。在初步探索了A1掺杂ZnO纳米线阵列的场发射性能之后,引入不同浓度A1掺杂和种子层A1：5%掺杂,制备出基于ZnO种子层的不同浓度A1掺杂ZnO纳米线阵列和基于Al-ZnO种子层的不同浓度Al掺杂ZnO纳米线阵列,并分析场发射性能。研究表明：这两类A1掺杂ZnO纳米线阵列在Al掺杂浓度为7%时,都具有较低的开启电场和较高的场增强因子。且基于ZnO种子层的A1掺杂ZnO纳米线阵列具有较好的场发射性能,其开启电场为1.03V/μm,场增强因子为20658。(3)以A1掺杂ZnO纳米线阵列的结果分析为参考,对ZnO纳米线阵列分别进行La和Cr掺杂,而种子层不进行掺杂,并研究样品的场发射性能。结果表明,La：5%掺杂和Cr：7%的掺杂均明显提高了ZnO纳米线阵列的场发射性能,其开启电场分别为1.83 V/μm和2.35V/μm,场增强因子分别为9208和5600。
【关键词】：溶胶-凝胶法 水热法 ZnO纳米线阵列 光致发光 场发射特性
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.41;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 场致发射的原理11-15
• 1.2.1 金属场致发射的机理12-13
• 1.2.2 半导体材料的场致发射机理13-15
• 1.3 ZnO半导体纳米材料概述15-18
• 1.3.1 ZnO材料的结构和性质15-17
• 1.3.2 制备ZnO纳米材料的方法17-18
• 1.4 ZnO纳米材料场致电子发射的研究现状与进展18-20
• 1.5 本课题的主要研究内容20-24
• 第二章 实验方案及样品表征手段24-34
• 2.1 ZnO种子层薄膜的实验方案24-26
• 2.1.1 种子层的实验方案24
• 2.1.2 溶胶-凝胶所用的化学试剂和仪器24-25
• 2.1.3 溶胶-凝胶工艺流程和反应机理25-26
• 2.2 ZnO纳米线阵列的实验方案26-28
• 2.2.1 水热法制备ZnO纳米线阵列的实验法案26
• 2.2.2 水热所用的化学试剂和仪器26-27
• 2.2.3 水热工艺流程和反应机理27-28
• 2.3 样品的表征28-30
• 2.3.1 ZnO纳米线阵列的结构表征28-29
• 2.3.2 ZnO纳米线阵列的形貌表征29-30
• 2.3.3 ZnO纳米线阵列的成分表征30
• 2.3.4 ZnO纳米线阵列的原子键合结构表征30
• 2.4 ZnO纳米线阵列的光学性质表征30-31
• 2.5 ZnO纳米线阵列的场发射性能表征31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第三章 ZnO纳米线阵列的制备及场发射性能34-58
• 3.1 ZnO纳米线阵列实验方案34-36
• 3.1.1 溶胶-凝胶法制备种子层工艺方案34
• 3.1.2 种子层制备工艺流程34-35
• 3.1.3 ZnO纳米线阵列正交实验方案35-36
• 3.1.4 ZnO纳米线阵列制备工艺流程36
• 3.2 ZnO纳米线阵列的结构分析和形貌表征36-50
• 3.2.1 ZnO材料的XRD表征36-40
• 3.2.2 ZnO材料的SEM表征40-44
• 3.2.3 ZnO纳米线阵列的EDS表征44-45
• 3.2.4 ZnO纳米线阵列的正交实验结果分析45-50
• 3.3 优化工艺参数的验证50-56
• 3.3.1 ZnO纳米线阵列的结构与形貌分析50-53
• 3.3.2 ZnO纳米线阵列的生长机理53
• 3.3.3 ZnO纳米线阵列发光和场发射特性研究53-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第四章 Al掺杂ZnO纳米线阵列制备及场发射性能58-80
• 4.1 Al:4.5%掺杂对ZnO纳米线阵列的影响58-64
• 4.1.1 Al:4.5%掺杂ZnO纳米线阵列的制备58-59
• 4.1.2 Al:4.5%掺杂ZnO纳米线阵列的表征59-61
• 4.1.3 Al:4.5%掺杂ZnO纳米线阵列的光学与场发射分析61-63
• 4.1.4 本征与Al:4.5%掺杂ZnO纳米线阵列的场发射性能比较63-64
• 4.2 基于ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的研究64-71
• 4.2.1 基于ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的制备64-65
• 4.2.2 基于ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的表征65-68
• 4.2.3 基于ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列光学性质研究68-69
• 4.2.4 基于ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列场发射性质研究69-71
• 4.3 基于Al-ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的研究71-78
• 4.3.1 基于Al-ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的制备71-72
• 4.3.2 基于Al-ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列的表征72-75
• 4.3.3 基于Al-ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列光学性质研究75-76
• 4.3.4 基于Al-ZnO种子层的Al掺杂ZnO纳米线阵列场发射性质研究76-78
• 4.4 两种不同方式的Al掺杂ZnO纳米线阵列的场发射比较78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 其它元素掺杂ZnO纳米线阵列制备及场发射性能80-96
• 5.1 La掺杂ZnO纳米线阵列的研究80-87
• 5.1.1 La掺杂ZnO纳米线阵列的制备80
• 5.1.2 La掺杂ZnO纳米线阵列的结构与形貌表征80-85
• 5.1.3 La掺杂ZnO纳米线阵列的光学性质研究85-86
• 5.1.4 La掺杂ZnO纳米线阵列的场发射性质研究86-87
• 5.2 Cr掺杂ZnO纳米线阵列的研究87-94
• 5.2.1 Cr掺杂ZnO纳米线阵列的制备87-88
• 5.2.2 Cr掺杂ZnO纳米线阵列的结构与形貌表征88-92
• 5.2.3 Cr掺杂ZnO纳米线阵列的光学性质研究92-93
• 5.2.4 Cr掺杂ZnO纳米线阵列的场发射性质研究93-94
• 5.3 本章小结94-96
• 第六章 总结与展望96-100
• 6.1 本文的总结96-97
• 6.2 今后的工作展望97-100
• 参考文献100-112
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果112-114
• 致谢114

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本文编号：614739