ZnO纳米棒/CNTs复合阴极的制备及其场发射性能的研究

2015-04-01 孙磊 福州大学光电显示技术研究所

　　采用水热法和喷涂法制备ZnO纳米棒/CNTs复合材料，并测试其场发射性能。首先采用水热法在ITO电极基面生长ZnO纳米棒阵列，随后通过喷涂技术在ZnO 纳米棒阵列表面沉积碳纳米管(CNTs)。使用扫描电子显微镜和X-射线衍射分别表征样品的结构和形貌特征。结果表明，经喷涂沉积的CNT薄膜均匀地包裹在ZnO纳米棒尖端。对该复合材料采用二极结构测试其场发射性能，通过测试结果发现，ZnO纳米棒/CNTs复合材料可明显改善ZnO纳米棒阵列及CNT薄膜的场发射性能，该复合材料具有低开启电场强度(约0.96V/μm)，高场增强因子(9881)。因此，ZnO纳米棒/CNTs复合材料是最有前景的场发射阴极材料之一。

　　场发射阴极材料作为场致发射器件的最重要的组成部分，已引起场发射研究人员的广泛兴趣，它们可以应用于真空微电子学、纳米科学和材料科学等领域。碳纳米管(CNTs)由于其比表面积高、导电性好、开启场强低和场致发射电流密度高等优越性能，已成为场致发射阴极材料中最有应用前景的材料之一。然而，至今仍然存在许多问题，例如不均匀分布、团聚、尖端较少等，这极大地限制其在场发射领域上的应用。一维的金属氧化物纳米材料(如ZnO、SnO2和Fe2O3等)由于具有独特的物理性能、高化学稳定性、良好的机械性能和高场增强效应等优点，已引起国内外研究人员的普遍关注。其中，ZnO具有电子结合能大、机械性能高和热稳定性好等特点，已成为最重要的无机氧化物半导体之一。然而，由于其低导电性的固有缺点，ZnO在许多场发射领域的实际应用上，尤其是在场发射上受到极大的阻碍。因此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为在改善这些金属氧化物材料的电导率问题上仍存在很大挑战。金属氧化物与CNT在交界处存在电荷传输交互以及轨道杂化，这可以修改CNT的电子结构，氧化物与CNT形成异质结，同时也扩大了氧化物纳米材料的潜在应用领域。

　　研究至今，一些有关ZnO/CNTs复合材料在场发射领域应用的研究已经见报，包括CNTs上长ZnO纳米粒子，CNTs上长ZnO纳米线，在修饰的定向CNTs阵列上生长ZnO纳米线，在ZnO薄膜上生长单壁碳纳米管(SWNTs)，在CNT薄膜表面通过覆盖ZnO纳米颗粒，丝网印刷的多壁碳纳米管(MWNTs)薄膜上生长ZnO纳米尖和ZnO纳米棒，均改善了场发射性能。此外，最近，ShuyiDing等报道了生长在垂直排列的CNTs网状阵列上ZnO纳米线，开启场强为0.8V/μm；通过低温湿化学沉积技术在CNTs基底表面生长ZnO纳米线，有效地合成ZnO纳米线/MCNTs异质结阵列，开启场强为1.5V/μm。所有这些方法制备出的ZnO纳米棒/CNTs复合阴极都展现出很好的场发射性能，但有些方法成本较高或者有些过程较复杂。

　　为了增强ZnO和CNTs的场发射特性，本文采用低成本和简单的方式来实现ZnO纳米棒和CNTs的复合，通过水热法生成ZnO纳米棒阵列，利用简单的喷涂方法来获得ZnO纳米棒/CNTs复合阴极，该复合阴极有极优的场发射性能。

　　1、实验

　　首先，用Zn(CH3COO)2和乙醇配置种子液，浓度为0.005mol/L，反应形成溶胶。在ITO 玻璃基片上均匀旋涂一层ZnO 溶胶，200℃预处理后反复旋涂3次，400℃下烧结1h，得到均匀致密的ZnO种子层。将Zn(NO3)2·6H2O 和六次甲基四胺(HMT)按摩尔浓度比1∶1配置成0.05mol/L的混合水溶液，然后将其倒入反应釜中，同时将ITO玻璃片(旋涂了ZnO种子层的面朝壁)悬靠在反应釜的内壁，水热反应时间5h，反应温度设定在95℃。降至室温，样片用去离子水冲洗几次后放置于箱式炉中60℃干燥1h，获得ZnO样片。其次，将SWNTs(0.5g)与10g分散剂K30，溶于1L的异丙醇溶液。在制备的ZnO样片上喷涂CNT悬浮液，将其放在马弗炉中200℃退火2h，获得ZnO纳米棒/CNTs复合阴极。样品的形貌和结构特征分别通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X-射线衍射(XRD，钴用作靶材料)进行测试。场发射测量是在真空室中进行的(高真空度达5.0×10-4Pa)。样品用作场致发射阴极，印有荧光粉的ITO玻璃片作为阳极，用高度为0.1cm的隔离子将阴、阳两极隔开。

　　3、结论

　　本文提出一个新颖、简单的方法，用以实现增强ZnO纳米棒和CNTs场发射性能。通过直接喷涂，将涂CNTs附着在ZnO纳米棒上，制备出ZnO 纳米棒/CNTs复合材料。在该复合材料中，CNTs均匀地缠绕在ZnO纳米棒尖端上，使得CNTs的尖端暴露出来。除了ZnO纳米棒本身的发射尖端，ZnO纳米棒/CNTs复合材料中还形成了更多的CNTs场致发射尖端。经测试，该复合阴极具有良好的场发射性能，其开启场强为0.96V/μm，场增强因子为9881，且在测试60min内仅有2.5%的电流衰减，具有极好的场发射稳定性。