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学会青年工作委员会副主任委员曾海波团队在纳米场发射器界面优化研究方面取得新进展

上传时间:2013-11-05  发布者:江苏省颗粒学会  点击率:580

近日,学会青年工作委员会副主任委员曾海波教授团队,在纳米线场发射器界面优化方面取得重要研究进展,其成果以《Epitaxial ZnO Nanowire-on-Nanoplate Structures as Efficient and Transferable Field Emitters》为题,在《Advanced Materials》(2013, 25, 5677–5825)发表,并被选为内封面,第一作者为博士生宋继中。该刊是德国Wiley出版社的材料学国际顶尖期刊(影响因子为14.8)。



材料的场致电子发射性能是场发射平板显示器、电子源等诸多高性能真空微电子器件的物理基础,它既与材料本身的物理参数有关,又受到针状发射器及其阵列几何结构的影响(如该组前期工作Advanced Functional Materials, 2009, 19, 3165),还受到衬底与发射材料之间界面状态的严重制约。实际上,界面问题一直是制约众多电子与光电子器件性能的关键问题。例如,在氧化锌纳米线场发射器中,通常是在各类衬底上直接通过气相法或液相法生长纳米线阵列,纳米线与衬底之间不可避免地会形成一层结晶质量差、取向混乱无序的过渡层,从而大大阻碍了场致电子的输运,降低了场发射性能。以往研究表明,通过预先真空沉积缓冲层,能在一定程度上改善这一状况,但仍很难实现陡峭的界面,且又带来额外成本增加,从而影响实际应用。因此,如何简单、大面积、有效地改善纳米线与衬底之间的界面质量,从而提高电子与光电子器件性能,一直是一个严重且影响广泛的挑战。


曾海波教授课题组针对此问题提出了一种策略:在纳米线阵列与衬底之间插入一层单晶纳米片组装膜,结合随后的同质外延生长,有效地改善了界面质量并提高了场发射性能。他们先通过液相法生长出大量20纳米厚(0001)面暴露的氧化锌六方纳米片,随后通过旋涂,在各种衬底上组装出单层致密排列的纳米片薄膜,最后通过化学气相沉积(CVD)在这些覆盖有纳米片组装膜的衬底上生长出氧化锌纳米线。他们在这种纳米片外延纳米线中观察到一系列有趣的现象,并据此实现了对生长的外延选择性调控。比如,通过调节CVD参数,可以实现纳米线选择性地生长在纳米片上,而极大地抑制它们在片与片之间的间隙衬底上生长。这正是我们所期望的情况,因为前者有望通过外延关系获得良好的界面,而后者由于晶格失配常常导致非常差的界面。更有趣的是,充分利用纳米片六方形(0001)表面从中心到边缘表面能的细微梯度变化,通过精密调控CVD参数来控制择优成核点,能够实现单个纳米线在六方纳米片中心高度选择性垂直生长的现象。他们选取一系列不同直径的纳米片膜作为中间层,均实现了这种高度选择性的单线-单片生长,且在同一衬底上超过95%的纳米线均遵循这种生长模式,验证了它的可重复性与均匀性。通过生长过程以及微结构分析,很好地证明了单晶纳米片与单晶纳米线之间确实存在陡峭的外延界面。


随后的场致电子发射性能测试表明,这些并未经过阵列结构优化的纳米片插层纳米线具有较好的性能,开启电场为4.8 V/μm,场增强因子达到1004,比无纳米片插层的纳米线分别改善和提高了36%、27.2%。有趣的是,由于纳米线和纳米片分居当个纳米结构的两端,使其具有较好的转移特性,并可以在转移过程中重排纳米线阵列,从而进行排列状态的优化,达到一定程度上进一步提高场发射性能的效果(以上两性能指标又提高了41.7%、45.3%)。


这些结果丰富了人们对纳米材料选择性外延生长的认识,提供了纳米阵列界面改善的新方法,并有望应用于一系列纳米结构电子与光电子器件的界面优化与性能提高。


该项研究得到了国家重大科学研究计划(2014CB931700-02)、国家基金委优秀青年基金(61222403)等项目的资助。