ZnO/Ag异质结纳米阵列的原位构筑及场发射机理探索

At present, the high work function of ZnO is the main problem in the research of the field emission property of ZnO.The project uses the low work function and excellent conductivity of Ag to enhance the field emission property of ZnO through ZnO/Ag heterojunction nanoarrays. In the project, at first, we used Sn2+ to sensitize ZnO nanoarrays. Due to the strong reductibility of Sn2+, Ag+ was reduced to Ag seeds on the surface of ZnO nanoarrays. And then, Ag nanoparticles were prepared on the ZnO nanoarrays via the inducement of Ag seeds. Finally, the ZnO/Ag heterojunction nanoarrays were in-situ built successfully.The effects of preparation conditions on the loading, uniformity, thickness and morphology of Ag was discussed and the method to improve the interfacial interaction between ZnO nanoarrays and Ag was explored. The inherent principle between preparation conditions and field emission properties was established. We caculated the electronic structure of ZnO/Ag heterojunction nanoarrays and discussed the enhancement mechanism of Ag in the improvement of field emission property of ZnO nanoarrays. The research is grounded firmly in academic foreland and will offer important theoretic foundation and experimental basis for the development and application of ZnO/Ag heterojunction nanoarrays.

本项目针对目前ZnO场发射性能研究中存在的功函数较大的问题，利用金属Ag良好的导电性和较低的功函数，通过ZnO/Ag异质结纳米阵列从整体上降低ZnO的有效功函数，从而提高ZnO的场发射性能。以ZnO/Ag异质结纳米阵列为研究对象，首先采用Sn2+离子敏化ZnO纳米阵列，利用Sn2+离子的强还原性在ZnO纳米阵列上生长Ag种子，继而利用Ag种子诱导Ag纳米粒子在ZnO纳米阵列上生长，最终获得ZnO/Ag异质结纳米阵列。研究生长条件对Ag的负载量、均匀性、厚度及形貌的影响，研究提高ZnO纳米阵列与Ag界面结合的方法，建立ZnO/Ag异质结纳米阵列的生长条件与场发射性能之间的内在规律，对ZnO/Ag异质结纳米阵列的电子结构进行理论计算，探讨Ag在提高ZnO纳米阵列场发射性能中的增强机理。该项研究立足学科前沿，将为ZnO/Ag异质结纳米阵列的开发应用提供重要的理论基础和试验依据。

ZnO被认为是最有前途的场发射阴极材料之一，已成为场发射研究领域的热门材料。但是ZnO本身的功函数较高，导电性不好，这就极大限制了ZnO场发射性能的研究与推广应用。Ag具有优良的导电性能，同时也具有较低的功函数。针对ZnO场发射研究中存在的问题，将Ag生长在ZnO上，获得两者牢固的界面结合，实现ZnO/Ag异质结。由于Ag的功函数较小，Ag上的电子就可以输运到ZnO上，降低ZnO材料的有效功函数，提高ZnO材料的导电性，从而获得性能优良的电子场发射输出，具有重要的理论意义和实际应用价值，在未来电子技术等领域有广阔的应用前景。本项目以ZnO/Ag异质结纳米阵列为研究对象，对其可控制备及场发射性能及机理进行了研究，主要成果如下：（1）采用Sn2+离子敏化ZnO纳米阵列，利用Sn2+离子的强还原性在ZnO纳米阵列上生长Ag种子，继而利用Ag种子诱导Ag纳米粒子在ZnO纳米阵列上生长，最终获得ZnO/Ag异质结纳米阵列。（2）研究了生长条件对Ag的负载量及形貌的影响，发现作为Ag生长中的反应物，AgNO3和SnCl2的用量对于Ag在ZnO/Ag异质结纳米阵列中的含量有着至关重要的影响，基本上，随着AgNO3和SnCl2用量的增加，Ag附着在ZnO上越来越多也越来越密集。（3）研究ZnO/Ag异质结纳米阵列的场发射性能，与纯ZnO纳米阵列的场发射性能进行了比较，探讨Ag在提高ZnO纳米阵列场发射性能中的增强机理，对ZnO/Ag异质结纳米阵列的电子结构进行了密度泛函理论计算。在优化样品中，ZnO/Ag异质结纳米阵列最低开启场强5.6 V/μm，阈值电场11.4V/μm，增强因子1927。（4）结合生长工艺、导电性、场发射参数等，对Ag在ZnO/Ag异质结纳米阵列中的含量对其场发射性能的影响进行了分析和探讨，发现ZnO/Ag异质结纳米阵列场发射性能与Ag的含量和ZnO/Ag异质结纳米阵列的导电性密切相关，Ag的含量到一定程度时，其场发射性能最优化。（5）研究了退火工艺对ZnO/Ag异质结纳米阵列及其场发射性能的影响，Ag由于处于纳米级别，熔点较低，易蒸发，因此，退火工艺反而不利于ZnO/Ag异质结纳米阵列的场发射性能。该项研究立足学科前沿，将为ZnO/Ag异质结纳米阵列的场发射性能奠定试验和理论基础，对ZnO场发射的应用有重要的推动作用，具有十分重要的科学意义和应用价值。