AlN纳米阵列的定位生长及其场发射特性的优化研究

AlN一维纳米阵列以其大的场致增强因子和负的电子亲和势等优势在场发射平板显示器(FED) 等领域具有重要的潜在应用价值。但目前所制备的AlN纳米阵列由于线与线之间过小的间距所引发的场发射屏蔽效应阻碍了其场发射效率的进一步提高。针对这一问题，本项目提出采用化学气相沉积（CVD）法，在预图案的Si基片上来定位生长AlN纳米阵列，以预图案Si基片上的点阵间距来控制AlN纳米阵列的间距，从而优化其场发射特性。预图案Si基片的制备采用反应离子刻蚀（RIE）技术，把氧化铝（AAO）掩模板上的孔图案均匀地传递到Si基片上，形成间距可调的Si纳米孔阵列。然后，在其中填充Au作为CVD时的自发优先形核中心，从而调控AlN阵列的间距。本项目的实施将进一步提高AlN纳米阵列做为场发射阴极的发射效率，并为其在FED等领域的产业化提供材料和技术方面的准备与指导。

本项目经过3年研究，在如下方面取得了进展：.1、制备了纳米尺寸精确可调的AAO模板，并以其为掩膜，用RIE技术刻蚀Si基片，制备了孔径和孔间距独立可调的Si纳米孔阵列基片。采用气液界面自组装二维胶体晶体PS为模板，并制备了基于Si片的PS模板，并利用此模板采用磁控溅射制备了Au纳米颗粒点阵催化剂。 .2. ZnO一维纳米结构的制备、结构与性能调控：采用水热法，在PS胶体晶体模板的条件下制备了不同阵列密度的ZnO纳米棒阵列，同时通过控制反应时间制备了不同长径比的ZnO纳米棒阵列。通过真空场发射系统的测试，发现使用PS胶体晶体模板的ZnO纳米阵列的场发射屏蔽效应明显减小，场发射增强因子β提高了105%。我们进一步采用Ti掺杂调控了ZnO一维高度有序纳米阵列的能带结构，结果表明：Ti掺杂可有效调节ZnO能带结构，减小其功函数，3wt%的Ti掺杂可进一步提高ZnO场发射增强因子70%，达到1970，开启电压降低至3.2V/µm。.3. 采用NH3做氮源，无水氯化铝做铝源，在600~800℃下用NH3/N2混合气（37sccm）在蓝宝石及Si衬底上制备了AlN纳米阵列。上述衬底采用PS胶晶模板并向其中填入SiO2的溶胶凝胶形成预图案衬底。通过温度等工艺参数的调控，包括生长温度、NH3载气流量、反应时间、氯化铝的量及源与衬底的距离等，制备了定位生长的AlN纳米阵列，并研究了AlN纳米结构的XRD图谱、SEM、TEM形貌、PL光谱和Raman光谱和场发射特性。结果表明AlN与硅衬底之间有很强的内应力，这都是由界面之间的缺陷造成的。随着温度的升高，AlN纳米结构的PL峰半高宽会按照纳米花、纳米棒Ⅰ和纳米棒Ⅱ额顺序依次减少。这意味着纳米结构的结晶性随温度的升高而改善。并且，由于量子限制效应，当晶体尺寸变大时，PL谱的峰位出现红移现象。场发射特性表明，AlN纳米棒Ⅱ阵列的场发射开启电压14.84V/µm，场发射增强因子β为4550。Ehrlich–Schwoebel势垒模型表明，AlN纳米阵列的生长过程遵从气固生长机理，最先开始呈岛状，岛状尺寸大小与表面能有密切的关系。当温度升高后，ES势垒减小，原子的有效扩散长度增大，导致纳米棒的直径增加。