一维SiC纳米晶/非晶复合材料的场发射性能研究

论文摘要

一维纳米SiC材料由于其宽带隙半导体特性,具有比石墨材料更低的功函数,且具有高的热稳定性、化学稳定性和机械强度,因而一维纳米SiC材料成为场发射阴极的优质备选材料,在大屏幕平板显示、微波放大器等领域具有大的应用潜力。本文系统地研究了一维SiC纳米晶/非晶复合材料（以下简称一维纳米SiC材料）的制备和场发射性能,包括与碳纳米管场发射性能的比较及直径变化对一维纳米SiC材料绝对场增强因子的影响。除此之外,还初步研究了室温下一维纳米SiC材料的发光性能。以碳纳米管这种可控制备技术已很成熟的材料为基础,用碳纳米管做为模板,通过Si原子和碳纳米管的固态反应制备出了不同直径的垂直取向一维纳米SiC材料阵列。XPS、HR-TEM分析表明一维纳米SiC材料实际上是非晶态的a-Si1-xCx （x≥0.5）纳米纤维和3C-SiC纳米晶颗粒组成的复合结构。制备出的一维纳米SiC材料有着特殊的“树状形貌”。这种特殊的形貌是高温环境下Si原子和C原子通过碳管模板外壁的“开口”缺陷进行双向扩散反应而形成的。使用使用场发射测试仪来进行样品的场发射性能测试。制备的一维纳米SiC材料具有较好的场发射性能,开启场强低至1.1 V/μm（直径90nm样品）,场发射F-N曲线表现为两段斜率不同的直线,我们利用一个已有的“顶-边”发射模型来解释这种特殊的场发射行为。与碳纳米管相比较,一维纳米SiC材料具有更加优异的场发射性能主要归因于SiC材料具有比石墨（碳纳米管）更低的功函数。同时,一维纳米SiC材料的“树状”分支结构实际上增加了发射端的数量,有助于提高场发射性能,在大场强下没有出现发射电流饱和的现象。根据纳米管场发射增强因子与电极间距的普适关系,我们计算出了不同直径一维纳米SiC材料样品的绝对场增强因子β0,验证了随着SiC纳米纤维直径的减小,绝对场增强因子β0呈明显增大的趋势,为提高一维纳米SiC材料的场发射性能工艺设计思路提供了依据。利用荧光光谱仪测试了一维纳米SiC材料的发光性能。室温下,一维纳米SiC材料样品在波长675nm纳米（红光区）处存在着较强的光发射,发光峰的半高峰全宽仅为9.1nm,显示出良好的单色性,对应PLE谱的峰位在449nm。根据量子尺寸限制效应模型对SiC纳米晶带隙做了理论计算,3.8nm 3C-SiC纳米晶的“带隙”为2.7eV（457nm）,与PLE谱的峰位吻合。结合理论计算的结果,我们用一个“三能级（three level）”模型来解释SiC纳米纤维的发光机制:从SiC纳米晶中激发的载流子通过非辐射越迁驰豫到界面态,然后复合发光。氢化处理后的样品PL谱发光峰蓝移至520nm,而PLE谱的峰位保持不变,进一步证明了我们对发光机制的推测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料概述
• 1.2.1 纳米材料
• 1.2.2 一维纳米材料
• 1.2.3 一维纳米材料在场发射领域的应用
• 1.3 碳化硅（SiC）材料的基本性质
• 1.3.1 晶体结构
• 1.3.2 能带结构
• 1.3.3 材料特性
• 1.4 一维纳米SiC 材料的制备
• 1.5 一维纳米SiC 材料材料及其场发射性能
• 1.6 其它形式的SiC 纳米材料——SiC 纳米晶
• 1.7 本文主要的研究内容及实验路线
• 第二章 一维纳米SiC 材料的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 碳纳米管的主要制备方法
• 2.3 实验设备
• 2.3.1 偏压辅助热丝化学气相沉积
• 2.3.2 磁控溅射仪
• 2.4 直径可控垂直取向碳纳米管的生长
• 2.4.1 CVD 方法制备碳纳米管（CNTs）的生长机制
• 2.4.2 催化剂的制备
• 2.4.3 生长垂直取向碳纳米管
• 2.4.4 碳纳米管的直径
• 2.4.5 碳纳米管的精细结构及成分表征
• 2.4.6 对CNTs 模板的等离子体刻蚀处理
• 2.5 一维纳米SiC 材料的制备
• 2.6 一维纳米SiC 材料的形貌及成分表征
• 2.6.1 一维纳米SiC 材料样品的SEM 形貌
• 2.6.2 一维纳米SiC 材料样品的XPS 谱
• 2.6.3 一维纳米SiC 材料样品的高分辨透射电镜（HRTEM）形貌
• 2.6.4 一维纳米SiC 材料中纳米晶的尺寸及密度
• 第三章 一维纳米SiC 材料的场致电子发射
• 3.1 引言
• 3.2 场发射基本知识
• 3.3 场致电子发射测试设备简介
• 3.4 一维纳米SiC 材料的场发射性能
• 3.5 一维纳米SiC 材料和碳纳米管模板的场发射性能比较
• 3.6 影响一维纳米SiC 材料场发射性能的因素
• 3.6.1 碳纳米管阵列密度对场发射性能的影响
• 3.6.2 一维纳米SiC 材料的直径变化对其绝对场增强因子的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 室温下一维纳米SiC 材料的光致发光性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 SiC 纳米晶发光特性的研究现状
• 4.3 室温下一维纳米SiC 材料的光致发光谱（PL）
• 4.4 利用量子尺寸限制模型对SiC 纳米晶粒“带隙”的计算
• 4.4.1 量子限制效应模型的量子力学基础
• 4.4.2 半导体微晶的量子限制模型
• 4.4.3 SiC 纳米晶系统最低激发态能量的理论计算
• 4.5 氢化处理对发光峰位置的影响
• 4.5.1 非晶氢化SiC
• 4.5.2 一维纳米SiC 材料的氢化处理
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢