纳米α-Fe2O3的原位生长及其场发射性能研究
采用空气热氧化法在铁基片上原位生长纳米α-Fe2O3,并通过扫描电镜、X射线衍射、场发射等对600℃下氧化不同时间所制得样品的形貌、结构、场发射性能进行表征和分析。研究表明,600℃下所得样品均为(110)和(300)取向的α-Fe2O3,而且氧化时间对纳米α-Fe2O3的形状、密度、长径比及场发射性能都有较大的影响。生长开始时,主要以α-Fe2O3纳米片状为主,随着氧化时间的增加,纳米线逐渐增多,长度变长。其中氧化4 h所得样品的密度和长径比适中,场发射效果最好,其开启场强为2.3 V/μm,而且概念错误均匀性好。
关键词： α-Fe2O3;空气热氧化法;氧化时间;场发射
基金项目: 国家“863”重大专项资助项目(2008AA03A313);国家自然科学基金项目(61106053);教育部博导基金项目(20103514110007); 电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放基金项目(KFJJ200916)
自碳纳米管被发现以来, 这类具有较高长径比的准一维纳米材料的场发射性能受到人们广泛关注, 为新型场发射冷阴极的研制开辟了道路[1] 。目前已经制备出许多用于场发射的准一维纳米材料,如碳纳米管、S i 纳米线、ZnO 纳米线、TiO2 纳米孔、CuO 纳米线、Fe2O3 纳米线、Fe2O3 纳米棒等[ 2- 7] 。然而, 用于制作场发射阴极的材料, 除几何因子外, 材料固有性能也很重要。-Fe2O3 属于铁氧化物中最稳定, 最常见的赤铁矿, 是一种中等带隙宽度( E g=21 eV) 的n 型半导体材料[ 8] , 也是一种重要的无机化合物; 具有耐高温( 热熔点达1565 ) , 耐碱, 耐盐雾, 稳定性高, 易获取, 绿色环保等优点, 是具有很大潜力的场发射冷阴极材料。
目前制备一维-Fe2O3 纳米结构的方法有很多, 如溶胶凝胶法、助熔剂法、共沉淀法、气相输运法、空气热氧化法、水热法等[ 9- 14] 。其中空气热氧化法可直接在铁基片上进行原位生长, 因其工艺简单、成本低廉、便于实现器件化, 是制备一维-Fe2O3场发射冷阴极的理想方法, 该方法主要影响因素为氧化温度、氧化时间等。J. Q. Wu 等[ 15] 采用空气氧化法制备了Fe2O3 纳米线, 并研究了氧化温度对纳米线生长以及场发射性能的影响。但是, 氧化时间对Fe2O3 纳米生长的影响还未见报道, 而且已报道的-Fe2O3 纳米线场发射的开启场强都比较大, 约为8ボ V/ 淜。
本文针对空气热氧化法原位生长纳米-Fe2O3这一课题, 研究同一温度下, 不同氧化时间对纳米-Fe2O3 形貌、结构的影响, 并通过场发射性能对比,找出-Fe2O3 最佳场发射性能时所对应的工艺参数。
采用空气热氧化法, 对铁片在600 度 的温度下分别氧化1, 2, 3, 4, 5, 8 h, 成功制备出不同长度和直径的纳米片或纳米线状α-Fe2O3。不同的氧化时间对样品形貌和场发射性能的影响较大。其中氧化4h 所得样品α-Fe2O3 纳米线密度适中, 场发射效果最好, 开启场强为2.3 V/ um, 场增强因子为5693, 发光均匀性高。此外, 纳米α-Fe2O3 可直接在空气中原位生长, 制备工艺简单, 成本低廉, 是一种较为优良的场发射冷阴极材料。
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