一维sic纳米晶非晶复合材料的场发射性能研究

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1、摘要一维纳米SiC材料由于其宽带隙半导体特性，具有比石墨材料更低的功函数，且具有高的热稳定性、化学稳定性和机械强度，因而一维纳米SiC材料成为场发射阴极的优质备选材料，在大屏幕平板显示、微波放大器等领域具有大的应用潜力。本文系统地研究了一维SiC纳米晶／非晶复合材料(以下简称一维纳米SiC材料)的制备和场发射性能，包括与碳纳米管场发射性能的比较及直径变化对一维纳米SiC材料绝对场增强因子的影响。除此之外，还初步研究了室温下一维纳米SiC材料的发光性能。以碳纳米管这种可控制备技术已很成熟的材料为基

2、础，用碳纳米管做为模板j通过Si原子和碳纳米管的固态反应制备出了不同直径的垂直取向一维纳米SiC材料阵列。XPS、HR．TEM分析表明一维纳米SiC材料实际上是非晶态的a．Sil．xCx(x=O．5)纳米纤维和3C．SiC纳米晶颗粒组成的复合结构。制备出的一维纳米SiC材料有着特殊的“树状形貌”。这种特殊的形貌是高温环境下Si原子和C原子通过碳管模板外壁的“开口”缺陷进行双向扩散反应而形成的。使用使用场发射测试仪来进行样品的场发射性能测试。制备的一维纳米SiC材料具有较好的场发射性能，开启场强低

3、至1．1V／ptm(直径90nm样品)，场发射F．N曲线表现为两段斜率不同的直线，我们利用一个已有的“顶一边”发射模型来解释这种特殊的场发射行为。与碳纳米管相比较，一维纳米SiC材料具有更加优异的场发射性能主要归因于SiC材料具有比石墨(碳纳米管)更低的功函数。同时，一维纳米SiC材料的“树状’’分支结构实际上增加了发射端的数量，有助于提高场发射性能，在大场强下没有出现发射电流饱和的现象。根据纳米管场发射增强因子与电极间距的普适关系，我们计算出了不同直径一维纳米SiC材料样品的绝对场增强因子励，

4、验证了随着SiC纳米纤维直径的减小，绝对场增强因子励呈明显增大的趋势，为提高一维纳米SiC材料的场发射性能工艺设计思路提供了依据。利用荧光光谱仪测试了一维纳米SiC材料的发光性能。室温下，一维纳米SiC材料样品在波长675nm纳米(红光区)处存在着较强的光发射，发光峰的半高峰全宽仅为9．1nm，显示出良好的单色性，对应PLE谱的峰位在449nm。根据量子尺寸限制效应模型对SiC纳米晶带隙做了理论计算，3．8rim3C．SiC纳米晶的“带隙"为2．7eV(457nm)，与PLE谱的峰位吻合。结合理

5、论计算的结果，我们用一个“三能级(threelevel)”模型来解释SiC纳米纤维的发光机制：从SiC纳米晶中激发的载流子通过非辐射越迁驰豫到界面态，然后复合发光。氢化处理后的样品PL谱发光峰蓝移至520nm，而PLE谱的峰位保持不变，进一步证明了我们对发光机制的推测。关键词：一维材料SiC纳米复合场发射AbstractInthethesis，wesystematicallyinvestigatedthesynthesisandfieldemissionpropertiesofOne—dimen

6、sionalSiCNanocrystal／AmorphousComposite(SiCnanofiber)，includingthecomparisonoffieldemissionpropertieswithcarbonnanotubesandtheinfluenceofdiametervariationontheabsolutefieldamplificationfactorofSiCnanofibers．Besides，wealsostudiedtheroom—temperaturelum

7、inescentpropertiesofSiCnanofiber．Weusedmulti—walledcarbonnanotubesastemplatestosynthesizeverticallyaligneddiametercontrollableSiCnanofiberarrays．TheSiCnanofibershaveunique“treelike’’morphology．XPSandHR-TEMcharacterization,showedthatSiCnanofiberisacom

8、positeofamorphousa-Sil_xCxmatrixwithSiCnanocrystallitesembeddedinit．Weuseatwodirectiondiffusionmechanismtoexplaintheformationofthe“treelike”morphology．TheSiCnanofibershaveshownovelelectronfield．．emissionbehaviorwithaturn．．onfieldaslowas1．1Wttm．Electr