納米α-Fe2O3的原位生長(zhǎng)及其場(chǎng)發(fā)射性能研究
采用空氣熱氧化法在鐵基片上原位生長(zhǎng)納米α-Fe2O3,并通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射、場(chǎng)發(fā)射等對(duì)600℃下氧化不同時(shí)間所制得樣品的形貌、結(jié)構(gòu)、場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)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(shí)間對(duì)納米α-Fe2O3的形狀、密度、長(zhǎng)徑比及場(chǎng)發(fā)射性能都有較大的影響。生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí),主要以α-Fe2O3納米片狀為主,隨著氧化時(shí)間的增加,納米線逐漸增多,長(zhǎng)度變長(zhǎng)。其中氧化4 h所得樣品的密度和長(zhǎng)徑比適中,場(chǎng)發(fā)射效果最好,其開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)為2.3 V/μm,而且概念錯(cuò)誤均勻性好。
關(guān)鍵詞： α-Fe2O3;空氣熱氧化法;氧化時(shí)間;場(chǎng)發(fā)射
基金項(xiàng)目: 國(guó)家“863”重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2008AA03A313);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61106053);教育部博導(dǎo)基金項(xiàng)目(20103514110007); 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(KFJJ200916)
自碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái), 這類(lèi)具有較高長(zhǎng)徑比的準(zhǔn)一維納米材料的場(chǎng)發(fā)射性能受到人們廣泛關(guān)注, 為新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的研制開(kāi)辟了道路[1] 。目前已經(jīng)制備出許多用于場(chǎng)發(fā)射的準(zhǔn)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(chǎng)發(fā)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(wěn)定, 最常見(jiàn)的赤鐵礦, 是一種中等帶隙寬度( E g=21 eV) 的n 型半導(dǎo)體材料[ 8] , 也是一種重要的無(wú)機(jī)化合物; 具有耐高溫( 熱熔點(diǎn)達(dá)1565 ) , 耐堿, 耐鹽霧, 穩(wěn)定性高, 易獲取, 綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 是具有很大潛力的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料。
目前制備一維-Fe2O3 納米結(jié)構(gòu)的方法有很多, 如溶膠凝膠法、助熔劑法、共沉淀法、氣相輸運(yùn)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(jìn)行原位生長(zhǎng), 因其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、便于實(shí)現(xiàn)器件化, 是制備一維-Fe2O3場(chǎng)發(fā)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(shí)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(duì)納米線生長(zhǎng)以及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。但是, 氧化時(shí)間對(duì)Fe2O3 納米生長(zhǎng)的影響還未見(jiàn)報(bào)道, 而且已報(bào)道的-Fe2O3 納米線場(chǎng)發(fā)射的開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)都比較大, 約為8ボ V/ 淜。
本文針對(duì)空氣熱氧化法原位生長(zhǎng)納米-Fe2O3這一課題, 研究同一溫度下, 不同氧化時(shí)間對(duì)納米-Fe2O3 形貌、結(jié)構(gòu)的影響, 并通過(guò)場(chǎng)發(fā)射性能對(duì)比,找出-Fe2O3 最佳場(chǎng)發(fā)射性能時(shí)所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。
采用空氣熱氧化法, 對(duì)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(zhǎng)度和直徑的納米片或納米線狀α-Fe2O3。不同的氧化時(shí)間對(duì)樣品形貌和場(chǎng)發(fā)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(chǎng)發(fā)射效果最好, 開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)為2.3 V/ um, 場(chǎng)增強(qiáng)因子為5693, 發(fā)光均勻性高。此外, 納米α-Fe2O3 可直接在空氣中原位生長(zhǎng), 制備工藝簡(jiǎn)單, 成本低廉, 是一種較為優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料。
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