ZnO纳米结构的原位生长和场致电子发射性能研究

ZnO作为一种宽禁带半导体材料，由于其大的激子束缚能，优异的光电特性，耐高温，抗氧化等诸多无可替代的性能成为半导体材料研究领域的关注焦点。对于ZnO纳米结构的研究由于其优异的光电性能和场致电子发射性能成为了纳米材料研究领域中近期的一大研究热点。本项目将围绕以下几点展开系统和深入的创新性研究：1.在环境扫描显微镜中实现ZnO纳米线的原位生长和原位观察，并施加外加电场以实时观测电场对ZnO纳米线的生长影响，找出其生长机理，利用生长机理指导发展生长制备方法，实现对ZnO纳米结构的可控生长；2.在环境扫描显微镜下实现对单根ZnO纳米线的场致电子发射性能的系统测量研究，并可以实现对其场发射过程中的原位观测，并对气氛，光照，等离子体处理等对单根ZnO纳米线的场致电子发射性能的影响进行深入分析，得出其中的基础物理规律，并提出可以有效显著提高ZnO纳米结构场致电子发射性能的方法。

ZnO 由于其大激子束缚能，优异光电特性，抗氧化，耐高温等诸多优势成为半导体材料的研究热点。对于其纳米结构的生长机理研究有助于进行可控形貌结构的大面积制备功能材料器件。ZnO准一维纳米结构优异的场致电子发射特性使其成为真空电子学器件有力的竞争者之一。本项目紧扣研究计划，围绕ZnO纳米结构原位生长和场致电子发射性能两个方面，取得了一系列创新性结果。利用高分辨环境扫描电子显微技术，原位观察ZnO纳米结构生长，发现其形貌与生长温度与生长时间的规律。并指出了Zn蒸汽饱和蒸汽压是决定ZnO纳米结构形貌的重要因素（J. Phys. Chem. 2010）。在退火后的Zn膜上，利用原位外延生长技术，实现了高取向高质量的ZnO纳米线阵列生长，并且系统研究了退火产生的ZnO膜对于外延生长的重要作用（CrystEngComm 2011）。利用环境扫描显微镜中的原位观察技术，系统研究了单根ZnO纳米线Zn（0001）解理面和O（0001）解理面极性依赖的同质外延生长机理。并且通过第一性原理计算，描述了ZnO单体的吸附，原子级吸附解吸附的物理过程，自洽的解释了Zn终止面外延生长速度远高于O终止面的原因（CrystEngComm (2012) 封面文章(Cover article)）。利用环扫中原位生长技术，实现了高质量单晶的ZnO/ZnTe分支结构。通过第一性原理计算，发现由于不同ZnTe表面表面能的差别对ZnO外延成核的生长规律，并与实验结果高度吻合（Nanoscale 2011）。这些结果对实现高质量ZnO纳米线阵列的可控生长，深入理解ZnO纳米结构生长机理具有非常重要的学术意义。在ZnO纳米结构场致电子发射性能研究方面，利用N离子注入方法，得到超高电流发射密度10.3mA cm-2的N掺杂ZnO纳米线样品，并深入研究了提高电流发射密度的可能原因（Nanotechnology 2010）。利用电子束曝光技术，发明了一种新型二维基于ZnO纳米线的场致电子发射平面结构器件。该结构创新性的将发射阳极，阴极置于同一平面内，实现了从三维到二维的转变，提供了一种新型真空电子学器件结构（Solid State Comm. 2011）。以上结果对有效提高ZnO纳米结构场发射性能提供了行之有效的方法，对利用ZnO纳米结构进行真空电子学器件设计具有非常重要的科学意义。