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一维ZnO纳米材料是除碳纳米管外最受关注的场发射材料,目前主要有低温液相法和高温气相法可实现材料制备。液相法具有可兼容玻璃和塑料基底、适合大面积制备、热损耗低的优点。然而,所获得的纳米结构晶化程度较差、电阻率偏高、与衬底间附着不牢固且接触电阻较大,这对其作为冷阴极材料应用不利。改善上述特性对促进液相水热法制备的ZnO纳米线在场发射器件中的应用至关重要。
本文发展了一种激光辐照处理方法,在N2气氛中,用波长为1064nm的脉冲激光对水热法制备ZnO纳米线进行辐照。对原始生长和经历激光处理两类样品进行对比实验,测试内容包括单根纳米线电阻、PL谱、XPS能谱、场发射电流—电压特性。结果表明:激光辐照可提高纳米线的结晶度,降低纳米线电阻,使纳米线与衬底间附着更牢固,进而优化纳米线的场发射性能。对经历不同条件激光辐照的纳米线的场发射特性进行对比研究,表明最佳激光辐照条件为:电源输出电压200V,激光脉冲宽度2ms。经此条件处理,纳米线场发射开启电场为2.064MV/m,在电场为3.065MV/m时发射电流密度达5.292mA/c㎡。认为纳米线电阻的降低是优化场发射性能的主要因素,纳米线体电阻的降低得益于:(i)脉冲激光的快速热退火过程所引起的晶格应力消除及晶隙势垒的降低;(ii)氮分子可能代替ZnO纳米线中的氧空位形成施主掺杂效应。纳米线与衬底界面接触特性的改善也对场发射性能的优化有贡献,附着力的改善主要是由热退火过程所产生的衬底与种子层热熔效应引起的。研究结果对促进水热法制备ZnO纳米冷阴极的实用化具有重要意义。