氧化锌场发射性能的研究进展 氧化锌的发射波长
摘要：简述了以场致发射显示器（FED）为代表的平板显示技术的发展现状与趋势，重点介绍了氧化锌一维纳米材料作为场发射阴极的场发射性能与研究现状，指出了具有应用前景的氧化锌一维纳米结构所需要解决的难题。
关键词： 场致发射显示器; 氧化锌; 均匀性; 稳定性
中图分类号:TB321;TB381;TB303文献标识码：A
Research Progress of ZnO Field Emission
LIN Jie-ben，GUO Zhen-ning，CHEN Li-bai
（College of Information Science and Engineering, Huaqiao University,
Fujian Quanzhou 362021,China）
Abstract:A review is presented of the art and future development of plat display technology as represented by field emission. Attention is focused on field emission capability of the zinc oxide 1-D nanometer material as field emission array. And the main strategies for its sustainable development are described.
Keywords: field emission display; zinc oxide; uniformity; stability
1引言
场致发射显示器（FED）是一种新兴的平板显示技术，它综合了CRT和平板显示器的优点，具有亮度高、功耗低、视角宽、工作电压低、分辨率及显示密度高、响应速度快、温度特性好以及尺寸大等优良性能。场发射阴极阵列（FEA）材料的选择是FED技术的关键，已引起材料与器件工作者的重视。
目前，可作为FEA备选材料的有碳纳米管（CNT）、纳米金刚石、纳米氧化锌（ZnO）等。碳纳米管取向一致性不好，电子发射的均匀性较差。纳米金刚石薄膜发射体因其N型掺杂较难且对荧光粉和封接要求较高而发展受到限制。已经成为研究热点的ZnO纳米材料，功函数高达5.4eV，与金刚石、ZrN、Mo等相比，ZnO体材料并不是一种好的场发射材料。但是，氧化锌N型掺杂浓度可达1019/cm3 ，电子迁移率为260 ，具有优良的电学特性[1]。而且，一维ZnO纳米结构具有较大的场增强因子，使得ZnO纳米结构具有良好的场发射特性。因此，本文综述了在场发射显示器FED领域具有较好应用前景的一维氧化锌纳米结构的研究进展。
直径为500nm，壁厚为50nm，长度为3μm，由材料结构表征判断该纳米管并非完全管状，很可能管子的底部为封闭，而顶部为管状。Cheng等[12]采用密闭式微波生长方法，制备图3（b）所示的ZnO纳米结构，由后文表2可见，该结构具有良好的场发射性能。
3ZnO纳米材料的场发射特性
3.1ZnO一维纳米材料的电子场发射性能比较与分析
从表1可以看出，传统纳米结构需具备较高的场发射开启电场，才能实现一定的电流密度。对于ZnO纳米材料，除了上述的四角状、纳米线和纳米管结构，还可以通过不同的工艺制备不同结构的氧化锌纳米材料，如纳米棒、钉子状、针状以及龙舌兰状等ZnO纳米结构。由表2分析可知，ZnO纳米结构在电子场发射能力方面具有明显的优越性，其中线状和四角状的场发射性能尤为突出。
对比分析四角状和线状ZnO纳米结构，四角状ZnO纳米结构场发射性能要优于ZnO纳米线场发射性能。其主要原因是：四角状ZnO纳米结构特殊的几何结构，即三个晶须之间呈等角度与衬底接触，另一个晶须几乎竖直朝上，使四角状ZnO场发射单元体对场发射均有贡献。而ZnO纳米线容易倒伏于衬底上，平躺的ZnO纳米线对场发射没有多大贡献。
3.2ZnO一维纳米材料场发射的均匀性和稳定性
场发射的均匀性是衡量场发射阴极材料性能优劣的重要指标之一，控制ZnO纳米阵列的位置、阵列和点阵密度对提高场发射性能有着重要的意义。要提高ZnO纳米阵列的均匀性，有如下方法可以考虑：
其一，制备催化剂矩阵（例如:Au）,再通过VLS（气-液-固）晶体生长机制得以控制ZnO生长的位置。催化剂的尺寸将很大程度上影响到所生长晶须的最终直径，当然合适的温度和气相组分、压力都会对晶须的尺寸和形貌起作用。E.C.Greyson等在蓝宝石衬底上生长的与图形化催化剂金（Au）点阵一致的ZnO纳米线[１5]，如图4（a）所示。
据文献[１6-１7]报道，利用离子刻蚀的办法和图形化六角形纳米AAO薄膜（如图4(b) 所示），可制作均匀的图案衬底，并高效率地实现量子点的均匀分布。因此，具有六方纤锌矿结构的ZnO纳米材料有可能在AAO上直接生长，或者先在AAO孔内先生长上文所提的催化剂阵列，再生长阵列化的ZnO纳米材料。
其二，采用电泳法可制备分布均匀、厚度可控的荧光粉薄膜，但关于将该方法应用于场发射阴极制备的报道却相当少。 Lili Wang[１8] 等人的研究表明，采用电泳法可实现碳纳米管（CNT）阴极的制备，且表面平整，厚度分布均匀。Fengqiu Tang等[１9]则把含有40nmZnO纳米颗粒的悬浮液通过电泳法淀积在锌电极上。因此，采用电泳法有可能制备均匀性良好的ZnO阴极。
场发射的稳定性是判断场发射阴极材料性能优劣的另一个重要指标。由Fowler-Norheim(F-N)公式：
其中，φ是外加电场，I是场发射电流， β为几何增强因子，φ是ZnO发射体表面的功函数，A和B是常数。表3列出了ZnO场发射体的重要参数，结合表2的数据表明：四角状ZnO纳米结构有较大的场发射因子，具有较为突出的场发射性能。
Wang等研究并测试的四角状ZnO纳米结构之所以性能突出，可能和以下因素有关：（1）在制备ZnO纳米结构过程中，没有有机污染，没有催化剂和添加剂；（2）在测试过程中，采用在高掺杂Si镀一层300nm金膜作为衬底材料，再涂敷四角状ZnO浆液。衬底和四角状ZnO的接触良好。采用Au作为过渡层，这可能和Au不会和Si形成硅化物有关[１3]。如果直接使ZnO和Si接触，则场发射电流波动范围高达38%。ZnO纳米线与Au的接触呈I-V线性关系[１4]，也表明了选择Au作为过渡层的合理性及其对ZnO场发射稳定性的贡献。
4展望
场发射阴极阵列（FEA）是场致发射显示器的关键。随着对纳米材料探索的不断深入，人们看到了氧化锌在该领域的应用潜力。到目前为止，Wang等制备的四角状ZnO纳米结构研究表明，该特殊结构的ZnO纳米结构是作为场发射材料的较佳选择之一，其场发射稳定性也要优于其他一维的ZnO纳米结构。福州大学郭太良研究小组已将四角状ZnO作为场发射阴极与印刷有荧光粉的阳极板组装成场致发射显示屏，并测试其场发射特性。该小组研究表明ZnO纳米材料在FEA具有良好的开发应用前景[２0]。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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