納米α-Fe2O3的原位生長及其場發射性能研究
采用空氣熱氧化法在鐵基片上原位生長納米α-Fe2O3,并通過掃描電鏡、X射線衍射、場發射等對600℃下氧化不同時間所制得樣品的形貌、結構、場發射性能進行表征和分析。研究表明,600℃下所得樣品均為(110)和(300)取向的α-Fe2O3,而且氧化時間對納米α-Fe2O3的形狀、密度、長徑比及場發射性能都有較大的影響。生長開始時,主要以α-Fe2O3納米片狀為主,隨著氧化時間的增加,納米線逐漸增多,長度變長。其中氧化4 h所得樣品的密度和長徑比適中,場發射效果最好,其開啟場強為2.3 V/μm,而且概念錯誤均勻性好。
關鍵詞： α-Fe2O3;空氣熱氧化法;氧化時間;場發射
基金項目: 國家“863”重大專項資助項目(2008AA03A313);國家自然科學基金項目(61106053);教育部博導基金項目(20103514110007); 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放基金項目(KFJJ200916)
自碳納米管被發現以來, 這類具有較高長徑比的準一維納米材料的場發射性能受到人們廣泛關注, 為新型場發射冷陰極的研制開辟了道路[1] 。目前已經制備出許多用于場發射的準一維納米材料,如碳納米管、S i 納米線、ZnO 納米線、TiO2 納米孔、CuO 納米線、Fe2O3 納米線、Fe2O3 納米棒等[ 2- 7] 。然而, 用于制作場發射陰極的材料, 除幾何因子外, 材料固有性能也很重要。-Fe2O3 屬于鐵氧化物中最穩定, 最常見的赤鐵礦, 是一種中等帶隙寬度( E g=21 eV) 的n 型半導體材料[ 8] , 也是一種重要的無機化合物; 具有耐高溫( 熱熔點達1565 ) , 耐堿, 耐鹽霧, 穩定性高, 易獲取, 綠色環保等優點, 是具有很大潛力的場發射冷陰極材料。
目前制備一維-Fe2O3 納米結構的方法有很多, 如溶膠凝膠法、助熔劑法、共沉淀法、氣相輸運法、空氣熱氧化法、水熱法等[ 9- 14] 。其中空氣熱氧化法可直接在鐵基片上進行原位生長, 因其工藝簡單、成本低廉、便于實現器件化, 是制備一維-Fe2O3場發射冷陰極的理想方法, 該方法主要影響因素為氧化溫度、氧化時間等。J. Q. Wu 等[ 15] 采用空氣氧化法制備了Fe2O3 納米線, 并研究了氧化溫度對納米線生長以及場發射性能的影響。但是, 氧化時間對Fe2O3 納米生長的影響還未見報道, 而且已報道的-Fe2O3 納米線場發射的開啟場強都比較大, 約為8ボ V/ 淜。
本文針對空氣熱氧化法原位生長納米-Fe2O3這一課題, 研究同一溫度下, 不同氧化時間對納米-Fe2O3 形貌、結構的影響, 并通過場發射性能對比,找出-Fe2O3 最佳場發射性能時所對應的工藝參數。
采用空氣熱氧化法, 對鐵片在600 度 的溫度下分別氧化1, 2, 3, 4, 5, 8 h, 成功制備出不同長度和直徑的納米片或納米線狀α-Fe2O3。不同的氧化時間對樣品形貌和場發射性能的影響較大。其中氧化4h 所得樣品α-Fe2O3 納米線密度適中, 場發射效果最好, 開啟場強為2.3 V/ um, 場增強因子為5693, 發光均勻性高。此外, 納米α-Fe2O3 可直接在空氣中原位生長, 制備工藝簡單, 成本低廉, 是一種較為優良的場發射冷陰極材料。
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