一種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列、其制備方法及應(yīng)用，所述碲納米線陣列具有尖銳端口，其場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度較低。所述制備方法是通過(guò)物理氣相沉淀法，以碲為蒸發(fā)源，并在硅片上沉積碲納米線得到所述碲納米線陣列；所述制備方法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟簡(jiǎn)單，不涉及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，具有環(huán)境友好性等特點(diǎn)。本發(fā)明提供的碲納米線陣列具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射器件的冷陰極、場(chǎng)發(fā)射平面顯示器和/或真空微電子器件中。
【專利說(shuō)明】—種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米線陣列【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列、其制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]場(chǎng)發(fā)射材料在場(chǎng)發(fā)射平面顯示、電子輻射器件和真空微電子器件等領(lǐng)域具有十分重要的用途。半導(dǎo)體納米線陣列具有較大的長(zhǎng)徑比、較高的導(dǎo)電率和較小的功函數(shù)，因而被認(rèn)為是一種優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射材料。
[0003]目前，研究者們成功的制備了 SiO2 (中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)CN102856141A)，ZnO (Adv.Funct.Mater.2009，19，3165-3172)，ZnS (Nanoscale2012, 4，2658)和 CdS (ACSNano2009, 3，949-959)等半導(dǎo)體納米線陣列，并研究了它們的場(chǎng)發(fā)射特性。
[0004]中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)CN 102856141 A公開的原位氧化提高硅納米線陣列場(chǎng)發(fā)射性能的方法，采用無(wú)電化學(xué)腐蝕法制備Si納米線陣列，然后采用原位部分氧化法將Si納米線陣列轉(zhuǎn)化為SiOx包覆的Si納米線芯殼結(jié)構(gòu)陣列，由于SiOx具有較低的電子親和勢(shì)(0.6-0.8eV)，所以可有效增強(qiáng)Si納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射性能，而且SiOx還可作為Si納米線陣列的保護(hù)層，提高Si納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性。該方法制得的硅納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度大概4.0~7.6。
[0005]中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)CN 102476787 A公開了一種ZnO納米線陣列的制備方法，包括如下步驟:清洗襯底；在清洗過(guò)后的襯底的表面制備一層Zn膜層；將制備有Zn膜層的襯底置于400~800°C下熱處理15min~24h，冷卻，制得ZnO納米線陣列。該方法制得的ZnO納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射開 啟電場(chǎng)強(qiáng)度大概在3.2~3.5。
[0006]雖然，本領(lǐng)域目前能夠提供較低開啟電場(chǎng)強(qiáng)度的納米線陣列，但是目前制備納米線陣列的原料還比較有限，本領(lǐng)域期待更多能夠應(yīng)用于制備納米線陣列的原料的研究。
[0007]中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)CN 102910595 A公開了一種超細(xì)碲納米線的宏量制備方法，包括以下步驟:亞碲酸鈉和還原劑在聚乙烯吡咯烷酮PH值調(diào)節(jié)劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，得到反應(yīng)混合物；用冷水急速冷卻所述反應(yīng)混合物得到碲納米線母液，加溶劑提取后得到碲納米線。該方法制備的碲納米線質(zhì)量均一，碲納米線直徑為7~10nm，長(zhǎng)度為上百微米，可一次性制備得到50g的碲納米線。但是，該申請(qǐng)并未具體公開其制備的碲納米線呈明顯的陣列結(jié)構(gòu)，而且也未公開相應(yīng)的場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度。并且該方法為濕法反應(yīng)，工藝相對(duì)復(fù)雜。
[0008]中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào)CN 101435067 A公開了一種基于物理氣相沉積的碲納米線陣列的制備方法，通過(guò)調(diào)節(jié)交流電源輸出電壓的大小、以及玻璃基板與鎢舟的距離，在真空室內(nèi)，通過(guò)熱蒸發(fā)碲原料，直接在玻璃基板上沉積出具有碲納米線陣列結(jié)構(gòu)的薄膜，該方法能夠保證納米相的均勻分布。但是該申請(qǐng)并未公開碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)
度等信息。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)制備的半導(dǎo)體納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度仍然過(guò)高，部分納米線陣列合成過(guò)程涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。研究表明一維納米線陣列的頂部形貌對(duì)其場(chǎng)發(fā)射特性具有十分重要的影響，比如由于尖端局域場(chǎng)效應(yīng)，圓錐形尖端納米線陣列能顯著地減少開啟電場(chǎng)的強(qiáng)度(Nanotechnology2010，21，225707)。因此，開發(fā)具有特殊尖端的一維納米線陣列對(duì)于提高其場(chǎng)發(fā)射性能具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列，其場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度較低，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
[0011]本發(fā)明提供的具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列具有尖銳端口。優(yōu)選地，所述碲納米線陣列的頂端呈圓錐形或圓柱形，或者所述碲納米線陣列由圓錐形碲納米線組成(即每條碲納米線作為整體呈圓錐形，眾多這樣的碲納米線排列組成碲納米線陣列，這種碲納米線陣列的頂端非常尖銳，可以稱為“針尖形尖端”，因此這種碲納米線陣列也可以稱為“頂端為針尖形的碲納米線陣列”)。上述僅僅是尖銳端口的三種形式，本發(fā)明所述的尖銳端口并不限于這三種，比如頂端還可以是呈六角形。
[0012]優(yōu)選地，所述碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)強(qiáng)度為3.27~6.67V/ym，優(yōu)選3.27~
3.71V/ym。
[0013]作為優(yōu)選，所述碲納米線陣列是通過(guò)物理氣相沉淀法、以碲為蒸發(fā)源并在硅片上沉積碲納米線得到的。
[0014]本發(fā)明的目的之二在于提供上述具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列的制備方法，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟簡(jiǎn)單，并且不涉及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。
[0015]本發(fā)明提供的制備方法為通過(guò)物理氣相沉淀法，以碲為蒸發(fā)源，并在硅片上沉積碲納米線得到所述碲納米線`陣列。
[0016]在本發(fā)明的制備方法中，通過(guò)控制物理氣相沉淀過(guò)程中碲蒸發(fā)源的溫度、基底溫度和沉積時(shí)間，能夠獲得具有尖銳端口的碲納米線陣列；具體地，所述碲納米線陣列的頂端呈圓錐形或圓柱形，或者所述碲納米線陣列由圓錐形碲納米線組成。本發(fā)明的制備方法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟簡(jiǎn)單，不涉及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，具有環(huán)境友好性等特點(diǎn)。本發(fā)明的制備方法制得的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射開啟電場(chǎng)強(qiáng)度較低，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
[0017]本發(fā)明的制備方法可以包括如下步驟:
[0018](I)將碲粉置于管式爐中央作為蒸發(fā)源，將清潔的硅片置于管式爐下游作為沉積基底；
[0019](2)加熱管式爐，至蒸發(fā)源溫度在700~800°C，沉積基底溫度在300~450°C，于惰性氣體和氫氣的混合氣體氛圍下，進(jìn)行60~70min，生長(zhǎng)出所述碲納米線陣列。
[0020]在本發(fā)明的制備方法中，所述硅片可以為P型硅片或η型硅片。
[0021]優(yōu)選地，所述硅片暴露的表面為(111)晶面、(100)晶面或(110)晶面，優(yōu)選(111)晶面。
[0022]優(yōu)選地，所述硅片是去除表面二氧化硅的硅片。
[0023]優(yōu)選地，所述硅片去除表面二氧化硅的方法是使用氫氟酸酸洗。氫氟酸是唯一能夠與二氧化硅反應(yīng)的酸，其對(duì)重?fù)诫s硅的清洗中有重要應(yīng)用。重?fù)诫s硅是指摻入雜質(zhì)量較多的半導(dǎo)體硅單晶，通過(guò)氫氟酸酸洗能夠有效去除二氧化硅等雜質(zhì)。所用氫氟酸溶液的濃度不作特別限定，但是優(yōu)選質(zhì)量濃度為47~51%的氫氟酸溶液進(jìn)行清洗。
[0024]優(yōu)選地，所述使用氫氟酸酸洗后，將所述硅片置于酒精溶液中進(jìn)行超聲處理，然后用蒸餾水清洗，并用氮?dú)獯蹈傻玫角鍧嵉墓杵瑐溆谩?br> [0025]優(yōu)選地，所述超聲處理時(shí)間為I~IOmin,例如lmin、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min 或 lOmin,優(yōu)選 IOmin0
[0026]在本發(fā)明的制備方法中，所述碲粉的純度為99%以上，例如99.01%, 99.10%、99.20%, 99.50%, 99.90%, 99.95%, 99.98%, 99.99%, 99.991%, 99.995% 或 99.999%，優(yōu)選 99.9%以上，更優(yōu)選99.99%以上。
[0027]優(yōu)選地，加熱之前，將管式爐抽成真空，使管內(nèi)壓強(qiáng)保持在I~4pa。
[0028]優(yōu)選地，抽真空之后，持續(xù)通入惰性氣體，以徹底清除管內(nèi)殘留的氧氣。
[0029]優(yōu)選地，所述惰性氣體為氮?dú)?、氬氣、氦氣和氖氣中的一種或多種的混合。所述混合典型但非限定性的實(shí)例包括:氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌希瑲鍤夂秃獾幕旌?，氦氣和氖氣的混合，氮?dú)夂秃獾幕旌?，氮?dú)夂湍蕷獾幕旌?，氮?dú)?、氬氣和氦氣的混合，氬氣、氦氣和氖氣的混合，氮?dú)?、氬氣、氦氣和氖氣的混合?br> [0030]優(yōu)選地，持續(xù)通入惰性氣體5~60min,例如6min、9min、lOmin、15min、20min、25min、30min、40min、50min、55min 或 59min,優(yōu)選 15 ~30mino
[0031]優(yōu)選地，所述惰性氣體的流速為50~150sccm (standard-state cubiccentimeter per minute,標(biāo)況毫升每分)，例如 60sccm、70sccm、80sccm、90sccm、llOsccm、120sccm、130sccm 或 140sccm,優(yōu)選 lOOsccm。
[0032]在本發(fā)明的制備方法中， 所述步驟(2)的加熱速率為5~30°C /min，例如6°C /min、9 °C /min、11 °C /min、15 °C /min、18 °C /min、21 °C /min、25 °C /min 或 29 °C /min,優(yōu)選15°C /min。
[0033]優(yōu)選地，所述步驟(2)的蒸發(fā)源溫度700~800°C，例如710°C、720°C、730°C、740°C、750°C、76(TC、77(rC、78(rC或 790°C，優(yōu)選 700°C或 800°C。
[0034]優(yōu)選地，所述步驟(2)的沉積基底溫度300~450°C，例如310°C、320°C、330°C、340°C >350°C >360°C >370°C >380 V、390°C >400°C >410°C >420 V、430 V或 440 V，優(yōu)選 360 V或 400°C。
[0035]優(yōu)選地,所述步驟(2)的生長(zhǎng)時(shí)間60~70min,例如,61min、62min、63min、64min、65min、66min、67min、68min 或 69min。
[0036]優(yōu)選地,所述步驟(2)的惰性氣體為氮?dú)狻鍤?、氦氣和氖氣中的一種或多種的混合。所述混合典型但非限定性的實(shí)例包括:氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌?，氬氣和氦氣的混合，氦氣和氖氣的混合，氮?dú)夂秃獾幕旌?，氮?dú)夂湍蕷獾幕旌?，氮?dú)狻鍤夂秃獾幕旌?，氬氣、氦氣和氖氣的混合，氮?dú)?、氬氣、氦氣和氖氣的混合?br> [0037]優(yōu)選地，所述步驟(2)的惰性氣體和氫氣的氣流量比為10:1~2:2，例如10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1 或 2:1，優(yōu)選 4:1。
[0038]優(yōu)選地，所述步驟(2)的惰性氣體和氫氣的流速為10~40sccm,例如15sccm、20sccm、25sccm、30sccm、35sccm 或 40sccm,優(yōu)選 25sccm。
[0039]優(yōu)選地，所述步驟(2)之后，冷卻至室溫。
[0040]優(yōu)選地，所述冷卻為自然冷卻。[0041]在本發(fā)明的制備方法中，當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為690~7101:、優(yōu)選7001:，基底溫度為350~370°C、優(yōu)選360°C，生長(zhǎng)時(shí)間為60~80min、優(yōu)選70min時(shí)，所得碲納米線陣列頂
端呈圓錐形。
[0042]在本發(fā)明的制備方法中，當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為790~810°C、優(yōu)選800°C，基底溫度為390~410°C、優(yōu)選400°C，生長(zhǎng)時(shí)間為50~70min、優(yōu)選60min時(shí)，所得碲納米線陣列由圓錐形締納米線組成。
[0043]在本發(fā)明的制備方法中，當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為690~710°C、優(yōu)選700°C，基底溫度為390~410°C、優(yōu)選400°C，生長(zhǎng)時(shí)間為50~70min、優(yōu)選60min時(shí)，所得碲納米線陣列頂
端呈圓柱形。
[0044]本發(fā)明的制備方法的一種優(yōu)選方案包括如下步驟:
[0045]0- )將重?fù)诫s的P型硅片置于氫氟酸溶液中酸洗，以去除表面的二氧化硅；
[0046](2’)將步驟(I’)中清洗后的硅片置于酒精溶液中進(jìn)行超聲處理I~lOmin，然后用蒸餾水清洗，并用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> [0047](3’)將純度為99.99%以上的碲粉置于管式爐中央?yún)^(qū)域作為蒸發(fā)源，將步驟(2’)中清潔后的硅片置于管式爐下游區(qū)域，作為沉積基底；
[0048](4’ )加熱前將管式爐抽成真空， 管內(nèi)壓強(qiáng)保持在I~4pa ;
[0049](5’)以50~150sccm的流速通入IS氣15~30min,以徹底清除管內(nèi)殘留的氧氣；
[0050](6’)將管式爐中央?yún)^(qū)域加熱至700~800°C，加熱速率為5~30°C /min，硅片基底的溫度保持在300~450°C,同時(shí)通入IS氣和氫氣的混合氣體；
[0051](7’)保持步驟(6’)中加熱時(shí)間60~70min，然后關(guān)閉加熱器，自然冷卻至室溫，得到所述碲納米線陣列。
[0052]本發(fā)明的目的之三在于提供上述具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列在場(chǎng)發(fā)射器件的冷陰極、場(chǎng)發(fā)射平面顯示器和/或真空微電子器件中的應(yīng)用。
[0053]與其它場(chǎng)發(fā)射材料及其制備方法相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0054](I)本發(fā)明使用的物理氣相沉淀法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟簡(jiǎn)單，不涉及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，具有環(huán)境友好性等特點(diǎn)；
[0055](2)本發(fā)明提供的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性優(yōu)異；開啟電場(chǎng)強(qiáng)度比ZnO、SnO2,GeSe和Bi2Se3等半導(dǎo)體納米線陣列?。?br> [0056](3)本發(fā)明提供的制備碲納米線陣列的方法，可以通過(guò)調(diào)控碲蒸發(fā)源的溫度、基底溫度(沉積溫度)和沉積時(shí)間來(lái)調(diào)控碲納米線陣列的端口形貌，從而精確控制場(chǎng)發(fā)射特性(開啟電場(chǎng)強(qiáng)度和增強(qiáng)因子β);
[0057](4)本發(fā)明提供的碲納米線陣列具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射器件的冷陰極、場(chǎng)發(fā)射平面顯示器和/或真空微電子器件中。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0058]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中頂端為圓錐形的碲納米線陣列電鏡圖；
[0059]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列電鏡圖；
[0060]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3中頂端為圓柱形的碲納米線陣列電鏡圖；
[0061]圖4為本發(fā)明實(shí)施例4中頂端具有更密圓柱形的碲納米線陣列電鏡圖；[0062]圖5為本發(fā)明實(shí)施例5中頂端為六角形的碲納米線陣列電鏡圖；
[0063]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1、2和3中頂端為圓錐形的碲納米線陣列(I)、由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列(2)和頂端為圓柱形的碲納米線陣列(3)的場(chǎng)發(fā)射電流密度J與電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系曲線圖；
[0064]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1、2和3中頂端為圓錐形的碲納米線陣列(I)、由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列(2)和頂端為圓柱形的碲納米線陣列(3)的場(chǎng)發(fā)射FN曲線圖；
[0065]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1和2中頂端為圓錐形的碲納米線陣列(I)和由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列(2)的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066]下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，以下實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，以便于更好地理解本發(fā)明，因而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0067]實(shí)施例1制備頂端為圓錐形的碲納米線陣列
[0068](I)將重?fù)诫s的p型Si片(IcmX Icm)置于氫氟酸溶液(質(zhì)量濃度47~51%)中酸洗，以去除表面的二氧化硅。
[0069](2)將步驟(1)中清洗后的Si片放置于酒精溶液中，超聲后用蒸餾水清洗，并用氮?dú)獯蹈蓚溆?，超聲時(shí)間選取為5min。
[0070](3)將純度為99.99%的碲粉放置在管式爐中央?yún)^(qū)域作為蒸發(fā)源，將步驟(2)中清潔后的Si片置于管式爐的下游`區(qū)域。
[0071](4)加熱前將管式爐抽成真空，管內(nèi)壓強(qiáng)保持在lpa。
[0072](5)緊接著步驟(4),通入IOOsccm的U1氣30min,以徹底清除管內(nèi)殘留的氧氣。
[0073](6)將管式爐中心區(qū)域加熱至700°C，加熱速率15°C /min, Si基底的溫度保持在360°C ;同時(shí)通入IS氣和氫氣混合氣體25sccm,気氣和氫氣的氣流量比為4:1。
[0074](7)保持步驟(6)加熱時(shí)間為70min，隨后關(guān)閉加熱器，自然冷卻至室溫。此時(shí)獲得的碲納米線陣列頂端為圓錐形，如圖1所示。
[0075](8)對(duì)步驟(7)中獲得的頂端為圓錐形的碲納米線陣列進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射特性測(cè)試，由J-E曲線可以看到它的開啟電場(chǎng)強(qiáng)度為3.27V/i!m，如圖6曲線(I)所示；圖7曲線(I)表明頂端為圓錐形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性符合FN曲線，計(jì)算得增強(qiáng)因子P為3270;圖8曲線(I)表明頂端為圓錐形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射性能穩(wěn)定。
[0076]增強(qiáng)因子P的計(jì)算屬于本領(lǐng)域公知常識(shí)。具體地，增強(qiáng)因子P可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到:
[0077]In (J/E2) = In (A 3 2/ 小)-B 小 I ^ E ；
[0078]其中，J為電流密度，E為施加的電場(chǎng)強(qiáng)度，A和B為常數(shù)，其值分別為1.56X10—1W2eV和6.83X10、eV_3/2um_1, O為材料的功函數(shù)，碲的功函數(shù)為4.95eV，^為增強(qiáng)因子。
[0079]實(shí)施例2制備由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列
[0080]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:步驟(6)中將管式爐中心區(qū)域加熱至800°C，Si基底的溫度保持在400°C ;步驟(7)中，加熱時(shí)間為60min。此時(shí)獲得由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列，如圖2所示；步驟(8)中，測(cè)得由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)為3.71V/ μ m，如圖6曲線(2)所示；圖7曲線(2)表明由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性符合FN曲線，計(jì)算得增強(qiáng)因子β為2785;圖8曲線(2)表明由圓錐形碲納米線組成的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射性能穩(wěn)定。
[0081]實(shí)施例3制備頂端為圓柱形的碲納米線陣列
[0082]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:步驟(6)中將管式爐中心區(qū)域加熱至700°C，Si基底的溫度保持在400°C;步驟(7)中，加熱時(shí)間為60min。此時(shí)獲得頂端為圓柱形的碲納米線陣列，如圖3所示；步驟(8)中，測(cè)得頂端為圓柱形的碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)為6.67V/μπι，如圖6曲線(3)所示；圖7曲線(3)表明頂端為圓柱形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性符合FN曲線，計(jì)算得增強(qiáng)因子β為1446。
[0083]通過(guò)比較實(shí)施例1、2和3獲得的三種碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性(開啟電場(chǎng)強(qiáng)度和增強(qiáng)因子β )，可以看出頂端為圓錐形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性最好。
[0084]實(shí)施例4制備頂端為圓柱形的碲納米線陣列[0085]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:步驟(6)中將管式爐中心區(qū)域加熱至700°C，Si基底的溫度保持在380°C;步驟(7)中，加熱時(shí)間為60min。此時(shí)獲得頂端為圓柱形的碲納米線陣列，如圖4所示；步驟(8)中，測(cè)得頂端為圓柱形的碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)為7.56V/μ m;頂端為圓柱形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性符合FN曲線，計(jì)算得增強(qiáng)因子β為479。本實(shí)施例制得的頂端為圓柱形的碲納米線陣列比實(shí)施例3制得的更加密。
[0086]實(shí)施例5制備頂端為六角形的碲納米棒陣列
[0087]本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:步驟(6)中將管式爐中心區(qū)域加熱至800°C，Si基底的溫度保持在300°C ;步驟(7)中，加熱時(shí)間為60min。此時(shí)獲得頂端為六角形的碲納米線陣列，如圖5所示；步驟(8)中，測(cè)得頂端為六角形的碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)為9.8V/μ m;頂端為六角形的碲納米線陣列的場(chǎng)發(fā)射特性符合FN曲線，計(jì)算得增強(qiáng)因子β為508。
[0088] 申請(qǐng)人:聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明選用組分的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有場(chǎng)發(fā)射特性的碲納米線陣列，其特征在于，所述碲納米線陣列具有尖銳端n ； 優(yōu)選地，所述碲納米線陣列的頂端呈圓錐形或圓柱形，或者所述碲納米線陣列由圓錐形締納米線組成； 優(yōu)選地，所述碲納米線陣列的開啟電場(chǎng)強(qiáng)度為3.27~6.67V/y m，優(yōu)選3.27~3.7IV/U m0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碲納米線陣列，其特征在于，所述碲納米線陣列是通過(guò)物理氣相沉淀法、以碲為蒸發(fā)源并在硅片上沉積碲納米線得到的。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的碲納米線陣列的制備方法，其特征在于，所述方法為通過(guò)物理氣相沉淀法，以碲為蒸發(fā)源，并在硅片上沉積碲納米線得到所述碲納米線陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)將碲粉置于管式爐中央作為蒸發(fā)源，將清潔的硅片置于管式爐下游作為沉積基底； (2)加熱管式爐，至蒸發(fā)源溫度在700~800°C，沉積基底溫度在300~450°C，于惰性氣體和氫氣的混合氣體氛圍下，進(jìn)行60~70min，生長(zhǎng)出所述碲納米線陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述硅片為p型硅片；` 優(yōu)選地,所述硅片暴露的表面為(111)晶面； 優(yōu)選地，所述硅片是去除表面二氧化硅的硅片； 優(yōu)選地，所述硅片去除表面二氧化硅的方法是使用氫氟酸酸洗； 優(yōu)選地，所述使用氫氟酸酸洗后，將所述硅片置于酒精溶液中進(jìn)行超聲處理，然后用蒸餾水清洗，并用氮?dú)獯蹈傻玫角鍧嵉墓杵?，備用? 優(yōu)選地，所述超聲處理時(shí)間為I~lOmin、優(yōu)選lOmin。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述碲粉的純度為99%以上、優(yōu)選99.9%以上、更優(yōu)選99.99%以上； 優(yōu)選地，加熱之前，將管式爐抽成真空，使管內(nèi)壓強(qiáng)保持在I~4pa ; 優(yōu)選地，抽真空之后，持續(xù)通入惰性氣體，以徹底清除管內(nèi)殘留的氧氣； 優(yōu)選地,所述惰性氣體為氮?dú)?、氬氣、氦氣和氖氣中的一種或多種的混合； 優(yōu)選地，持續(xù)通入惰性氣體5~60min、優(yōu)選15~30min ； 優(yōu)選地，所述惰性氣體的流速為50~150sccm、優(yōu)選lOOsccm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的加熱速率為 5 ~30°C /min、優(yōu)選 15°C /min ； 優(yōu)選地,所述步驟(2)的惰性氣體為氮?dú)狻鍤?、氦氣和氖氣中的一種或多種的混合； 優(yōu)選地，所述步驟(2)的惰性氣體和氫氣的氣流量比為10:1~2:2、優(yōu)選4:1 ； 優(yōu)選地，所述步驟(2)的惰性氣體和氫氣的流速為10~40sccm、優(yōu)選25sccm ； 優(yōu)選地，所述步驟(2)之后，冷卻至室溫； 優(yōu)選地，所述冷卻為自然冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為690~710°C、優(yōu)選700°C，基底溫度為350~370°C、優(yōu)選360°C，生長(zhǎng)時(shí)間為60~80min、優(yōu)選70min時(shí)，所得碲納米線陣列頂端呈圓錐形；或當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為790~81 (TC、優(yōu)選800°C，基底溫度為390~41 (TC、優(yōu)選400°C，生長(zhǎng)時(shí)間為50~70min、優(yōu)選60min時(shí),所得締納米線陣列由圓錐形締納米線組成；或當(dāng)碲蒸發(fā)源的溫度為690~71 (TC、優(yōu)選700°C，基底溫度為390~410°C、優(yōu)選400°C，生長(zhǎng)時(shí)間為50~70min、優(yōu)選60min時(shí)，所得碲納米線陣列頂端呈圓柱形。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 0-)將重?fù)诫s的P型硅片置于氫氟酸溶液中酸洗，以去除表面的二氧化硅； (2’)將步驟0-)中清洗后的硅片置于酒精溶液中進(jìn)行超聲處理I~lOmin，然后用蒸餾水清洗，并用氮?dú)獯蹈蓚溆茫? (3’)將純度為99.99%以上的碲粉置于管式爐中央?yún)^(qū)域作為蒸發(fā)源，將步驟(2’)中清潔后的硅片置于管式爐下游區(qū)域，作為沉積基底； (4’)加熱前將管式爐抽成真空，管內(nèi)壓強(qiáng)保持在I~4pa ; (5’)以50~150SCCm的流速通入氬氣15~30min，以徹底清除管內(nèi)殘留的氧氣； (6’)將管式爐中 央?yún)^(qū)域加熱至700~800°C，加熱速率為5~30°C /min,硅片基底的溫度保持在300~450°C,同時(shí)通入IS氣和氫氣的混合氣體； (7’)保持步驟(6’)中加熱時(shí)間60~70min，然后關(guān)閉加熱器，自然冷卻至室溫，得到所述碲納米線陣列。
10.如權(quán)利要求1或2所述的碲納米線陣列在場(chǎng)發(fā)射器件的冷陰極、場(chǎng)發(fā)射平面顯示器和/或真空微電子器件中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103496675SQ201310436069
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】何軍, 王啟勝, 沙法德·穆罕默德, 詹雪瑩 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心