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钨微/纳米线阵列的制备及其场发射性能的研究

作　者: 高程
导　师: 贺跃辉
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 钨 微/纳米线 微米管 单晶 气-固机制
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


金属(如W、Mo、Ta等)是研究最早,也是目前使用最广的场发射阴极材料,此类材料的发射机理比较清楚,制备工艺也比较成熟。虽具备易加工、发射电流大的优点,但因功函数大,为有效增强驱动电场不得不将阴极制造成微尖阵列式结构,这要求使用技术难度大的大面积微尖制备工艺,或者制备其一维纳米材料。金属钨作为最为广泛的电子发射材料,其一维纳米结构的合成和场电子发射性能的研究成为人们广泛关注的一个焦点。由于金属钨的超高熔点和超低蒸汽压,其准一维纳米结构很难用传统制备方法获得。目前,一些制备金属钨纳米线的方法,反应条件苛刻,工艺繁杂,不易控制,难以实现纳米线的较大批量制备。本论文在相对较低的温度下,采用无催化剂辅助的气相方法成功地合成了直径均匀的金属钨单晶微/纳米线阵列,并研究了其场发射性能。(1)研究了无催化剂、无模板辅助的气相传输方法,在相对较低的900～1000℃下(相对于难熔金属钨的熔点和目前钨微/纳米线的高温合成方法)成功地合成出金属钨微/纳米线及其阵列。合成的钨微/纳米线具有纳米尺度的锥尖(<50nm)和大的长径比(>100)。(2)研究了生长条件(温度、时间、水合氧化钨过饱和度等)对钨微/纳米线生长的影响,并对钨微/纳米线的生长机理做了分析,这种方法制备的钨微/纳米线的生长机制符合V-S机制。(3)本实验制备的单晶钨微/纳米线具有优异的场发射性能,其F-N曲线具有很好的线性关系,符合Fowler-Nordheim理论。(4)本实验制备的平均直径为180 nm.350 nm、1100nm的钨微/纳米线的开启场强分别为4.0 Vμm-1、5.6 Vμm-1和7.1 Vμm-1；本实验制备的平均直径为180nm的钨微/纳米线阵列的场增强因子为1904。钨微/纳米线阵列的场增强因子与碳纳米管及氧化锌纳米针相当,并具有良好的热稳定性,最大波动范围为3.6%。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-25
  1.1 引言  8
  1.2 一维纳米材料  8-19
    1.2.1 一维纳米材料的特性  9-10
    1.2.2 一维纳米材料的制备方法  10-17
    1.2.3 一维纳米材料的应用  17-19
  1.3 一维钨纳米材料  19-23
    1.3.1 一维钨纳米结构的制备方法  19-21
    1.3.2 一维钨纳米结构的生长机理  21-23
  1.4 一维钨纳米结构的性能及应用  23-24
  1.5 本论文研究的目的、意义及内容  24-25
第二章 工艺流程与实验方法  25-29
  2.1 前言  25
  2.2 实验原料及设备  25-26
    2.2.1 实验原料  25-26
    2.2.2 实验设备  26
  2.3 实验过程  26-27
  2.4 实验基本温度曲线  27
  2.5 主要分析测试手段及目的  27-29
    2.5.1 形貌表征及能谱分析  27-28
    2.5.2 物相分析  28
    2.5.3 结构分析  28-29
第三章 钨微/纳米线阵列的制备及实验参数对其生长的影响  29-45
  3.1 前言  29
  3.2 钨微/纳米线阵列制备的实验步骤  29-30
  3.3 钨微/纳米线的表征  30-32
  3.4 实验参数对钨微/纳米线生长的影响  32-43
    3.4.1 硅片位置的影响  32-34
    3.4.2 保温时间影响  34
    3.4.3 温度的影响  34-43
    3.4.4 水浴的影响  43
  3.5 小结  43-45
第四章 钨微/纳米线阵列生长机理的探讨  45-53
  4.1 生长机制的确定  45
  4.2 钨微/纳米线阵列的形成过程  45-51
  4.3 钨微米管的形成过程  51
  4.4 小结  51-53
第五章 钨微/纳米线阵列的场发射性能  53-61
  5.1 前言  53-57
    5.1.1 场发射及其实质  53
    5.1.2 场电子发射的理论基础  53-55
    5.1.3 场发射性能的评价标准  55-56
    5.1.4 场发射的应用  56-57
  5.2 钨微/纳米线阵列的场发射性能  57-60
  5.3 小结  60-61
第六章 结论  61-62
参考文献  62-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间主要的研究成果  73

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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