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二氧化锡纳米结构的制备及其场发射性能研究

作　者: 李琨
导　师: 王金斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理电子学
关键词: 二氧化锡氧空位场发射催化剂生长机制
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

SnO₂是典型的n型宽禁带半导体材料,具有负的电子亲和势。SnO₂具有优良的物理和化学性能,现已应用于太阳能电池、高温电子器件、气敏传感器、透明导电玻璃和平板显示器等领域。SnO₂纳米材料也成为目前一种很有应用潜力的场致电子发射材料。本文以SnO₂纳米结构为研究对象,采用化学气相沉积法、在不同的衬底上制备出不同的纳米结构,研究了催化剂对生长机制的影响,同时研究了纳米线和纳米带的场发射性能,着重研究了在氧气中高温退火处理对二氧化锡纳米线的场发射性能的影响。采用化学气相沉积法成功在镀有7nm厚金层的硅衬底上制备出致密的SnO₂纳米线,并在氧气气氛中对二氧化锡纳米线进行高温退火处理,研究了高温退火对纳米线阴极射线发光质和场发射性能的影响。对SnO₂纳米线进行了SEM、XRD、TEM、HRTEM、EDX表征,结果表明,我们所制得的SnO₂纳米线是单晶的四方金红石结构,在纳米线中存在氧空位,且氧空位浓度随退火温度的升高而降低,可见在高温下在氧气中退火可以改善氧空位浓度不足。从样品的室温阴极射线发光光谱中观测到一宽的橙光发射带,它主要来源于二氧化锡纳米线中的氧空位。研究发现,纳米线的场发射性能,随着SnO₂纳米线中氧空位浓度和SnO₂纳米线的功函数的减小而显著增强。这些研究结果表明,通过对二氧化锡纳米线在氧气中进行高温退火处理,可以极大的提高二氧化锡纳米线的场发射性能,从而更好地在场发射显示领域上发挥作用。采用化学气相沉积法成功在镀有10nm厚金层的硅衬底上制备出致密的SnO₂纳米带,对SnO₂纳米带进行了SEM、XRD、TEM、HRTEM、EDX表征。我们所制得的SnO₂纳米带是单晶的四方金红石结构,存在氧空位。研究发现,纳米带的场发射性能不如纳米线的场发射性能好,主要是由于纳米带的长径比小,其场增强因子小。在硅衬底上镀不同的金属做催化剂制备二氧化锡纳米结构,对其生长机制进行了相应研究。不使用催化剂,很难制备出二氧化锡纳米结构;使用Pt做催化剂,制备出的纳米结构种类很多,较难控制生长的纳米结构形貌;使用Au做催化剂,较易制备出纳米结构,且通过控制Au层厚度和生长时间就可以控制生长的纳米结构的形貌。不使用催化剂,制得的纳米带遵循VLS生长机制,Sn作为自催化剂,是一种自组装、自催化生长模式;使用Pt和Au做催化剂时的生长机制都是典型的VLS生长机制。催化剂对而二氧化锡纳米结构生长具有很大影响,使用Au做催化剂较容易制备出纳米结构,催化剂厚度影响纳米结构的生长方向,其厚度越大,生长的纳米线的直径越大,可以通过控制衬底上催化剂的分布和厚度来控制二氧化锡纳米结构的位置和尺度。本论文对二氧化锡纳米结构的制备、结构性质、生长机制及其场发射性能研究,取得了一定成果,仍需深入研究二氧化锡纳米结构的生长机制和场发射性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-25
  1.1 纳米材料研究进展  11-14
    1.1.1 纳米材料的研究状况和发展前景  11-12
    1.1.2 半导体纳米材料研究进展  12-13
    1.1.3 宽带隙半导体纳米材料的场发射研究进展  13-14
  1.2 平板显示器  14-18
    1.2.1 平板显示器的发展状况  14-16
    1.2.2 常见平板显示器  16-18
  1.3 场发射平板显示器  18-23
    1.3.1 场发射平板显示器原理  18-19
    1.3.2 常见场发射阴极材料  19-20
    1.3.3 二氧化锡纳米材料简介  20-22
    1.3.4 场发射显示器件研究和产业化进展  22-23
  1.4 本论文的主要工作和意义  23-25
第2章场致电子发射理论  25-37
  2.1 场致电子发射的基本概念  25-26
  2.2 Fowler—Nordheim 公式  26-28
  2.3 金属的场致电子发射  28-30
  2.4 半导体场致发射  30-32
    2.4.1 半导体的外场致发射  30-31
    2.4.2 半导体的内场致发射  31-32
  2.5 影响场致发射的因素  32-34
    2.5.1 逸出功  32-33
    2.5.2 负电子亲和势  33
    2.5.3 尖端场增强效应  33-34
  2.6 场发射特性评价参数  34
  2.7 场发射测试系统  34-36
  2.8 场发射理论发展困境及方向  36-37
第3章二氧化锡纳米线的制备及其场发射性能研究  37-51
  3.1 引言  37
  3.2 实验  37-39
    3.2.1 实验方法简介  37-38
    3.2.2 实验装置简介  38
    3.2.3 实验原理简介  38-39
    3.2.4 实验操作过程  39
  3.3 样品制备与测试  39-40
    3.3.1 样品的制备  39
    3.3.2 后处理工艺  39-40
    3.3.3 测试表征  40
  3.4 结果与讨论  40-50
    3.4.1 SnO_2 纳米线的形貌和结构表征  40-44
    3.4.2 SnO_2 纳米线的生长机制  44
    3.4.3 SnO_2 纳米线的阴极射线发光性能研究  44-46
    3.4.4 SnO_2 纳米线的场发射性能研究  46-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章二氧化锡纳米带的制备及其场发射性能研究  51-57
  4.1 引言  51
  4.2 样品的制备与测试  51-52
    4.2.1 样品的制备  51
    4.2.2 测试表征  51-52
  4.3 结果与讨论  52-56
    4.3.1 SnO_2 纳米带的形貌和结构表征  52-53
    4.3.2 SnO_2 纳米带的生长机制  53
    4.3.3 SnO_2 纳米带的场发射性能研究  53-55
    4.3.4 SnO_2 纳米线与纳米带的场发射性能对比  55-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章催化剂对二氧化锡纳米结构生长的影响  57-67
  5.1 引言  57
  5.2 样品的制备与测试  57-58
    5.2.1 样品的制备  57-58
    5.2.2 测试表征  58
  5.3 结果与讨论  58-66
    5.3.1 催化剂对生长机制的影响  58-64
    5.3.2 催化剂Au 层的厚度对纳米结构生长的影响  64
    5.3.3 生长时间对纳米结构生长的影响  64-66
  5.4 本章小结  66-67
第6章总结与展望  67-69
  6.1 总结  67-68
  6.2 展望  68-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
附录：攻读硕士学位期间发表的论文  75

二氧化锡纳米结构的制备及其场发射性能研究

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