光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法
【專利摘要】光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法。本發明涉及一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法。本制備方法包括步驟一：選擇石英襯底；步驟二：將石英襯底超聲清洗10~20分鐘；步驟三：將超聲清洗后的石英襯底氣吹干；步驟四：將氧化鋅ZnO綁定在銅背板上，組成ZnO靶；步驟五：將ZnO靶與石英襯底均置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內；步驟六：在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶；步驟七：將射頻磁控濺射儀抽真空；步驟八：將抽真空后的射頻磁控濺射儀運行30~60分鐘；步驟九：將運行30~60分鐘的射頻磁控濺射儀關閉，并取出制備完成的Ag摻雜ZnO的薄膜。本發明用于光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料。
【專利說明】
光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在光輻照下，半導體納米材料的導電會發生變化，進而增強場電子發射性質。而場致發射在諸多光電子器件中有著十分廣泛而重要的應用，如場致發射顯不器、場發射掃描電子顯微鏡和微波器件等，而這些器件重要的問題之一就是設計并研究性能優異的場發射材料。
[0003]被稱為萬能材料的ZnO，由于具有寬能帶、高激子結合能、復雜的本征缺陷、超快的響應時間等特點，使其作為優異的非線性光學材料，已經得到廣泛研究和應用。特別是大的擊穿場強和高的載流子迀移率，大的發射電流，使得它在場發射研究領域倍受青睞。目前ZnO場發射特性研究方面，制備方法主要集中在化學方法制備的一維納米材料，并且主要針對ZnO本身研究較多。然而，近年來由于半導體微納結構設想的提出和制作技術的重大突破，實現了不同金屬元素摻雜ZnO的各種微納結構復合材料制備，使得ZnO半導體材料非線性光學性質和光電器件應用性能得到了很大改善。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，用以解決上述問題，提供的Ag摻ZnO納米薄膜材料的制備方法，證明了其具有強的光場發射性能；該方法提高了薄膜型ZnO的場發射電流密度，減小了場發射開啟場強。
[0005]上述的目的通過以下的技術方案實現:
一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，本制備方法包括
步驟一:選擇石英襯底；
步驟二:將石英襯底超聲清洗10?20分鐘；
步驟三:將超聲清洗后的石英襯底氣吹干；
步驟四:將氧化鋅ZnO綁定在銅背板上，組成ZnO靶；
步驟五:將ZnO靶與石英襯底均置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內；
步驟六:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶；
步驟七:將射頻磁控濺射儀抽真空；
步驟八:將抽真空后的射頻磁控濺射儀運行30?60分鐘；
步驟九:將運行30?60分鐘的射頻磁控濺射儀關閉，并取出制備完成的Ag摻雜ZnO的薄膜。
[0006]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟一中:選擇石英襯底后先進行雙面拋光。
[0007 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟二中:將石英襯底超聲清洗的過程是:首先將石英襯底放入無水乙醇中超聲清洗10?20分鐘，取出后在去離子超聲清洗10?20分鐘。
[0008]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟三中:將超聲清洗后的石英襯底用純氮氣吹干。
[0009 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟四中:將氧化鋅ZnO片連接在銅背板上，組成ZnO靶。
[0010 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟五中:將ZnO靶與石英襯底均放置在底座后，再置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內。
[0011 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟六中:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶，Ag靶為Ag片。
[00?2 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟七中:將射頻磁控濺射儀按照壓強為6.0XlO-4 Pa進行抽真空。
[00?3 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟八中:射頻磁控濺射儀運行按照以下條件進行運行:射頻濺射源的功率為80W?120W，直流濺射源的功率為15W-25W，工作氣壓為I?3Pa，射頻磁控濺射儀內的濺射氣體為純氬氣Ar，純氧氣02作為反應氣體，純氬氣Ar與純氧氣O2的體積比為2:1，石英襯底的溫度保持在90° O
IlO0Co
[0014]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，制得的Ag摻雜ZnO薄膜的場發射特性的測試包含以下步驟:
步驟一:將制得的Ag摻雜ZnO薄膜切割成0.5cm2作為陰極，將銅電極作為陽極；
步驟二:用玻璃絲將陰極與陽極隔離，間隔距離為100微米；
步驟三:在陰極與陽極之間加可調節電壓；
步驟四:將準備好的陰極與陽極送入KEITHLEY2410真空測試系統進行測試。
[0015]有益效果:
1.本發明采用半導體摻雜技術，解決現有的薄膜型ZnO發射材料場發射開啟電壓大、發射電流密度小的不足，為新一代平板顯示器-場發射顯示器(FED)提供性能優良的發射材料及制備方法。
[0016]2.本發明的Ag摻雜提高了ZnO薄膜的費米能級，降低了其功函數，即一定程度上降低了表面隧穿勢皇高度，增大了場發射電流密度。
[0017]3.本發明的Ag原子在晶格中更多的以替代Zn位形式存在。能形成更多的正電子中心和施主能級。由于正電中心的束縛力比晶格對參加離子鍵的價電子的束縛能力小的多，因此將會有更多的電子解脫束縛而熱激發到導帶，從而提供了更多的電子源，提高了場發射電流密度。
[0018]【附圖說明】:
附圖1是本發明Ag摻雜ZnO薄膜的XRD圖譜。
[0019]附圖2是本發明Ag摻雜ZnO薄膜的參考尺度為I微米的掃描電鏡(SEM)圖。
[0020]附圖3是本發明Ag摻雜ZnO薄膜的參考尺度為500納米的掃描電鏡(SEM)圖附圖4是本發明Ag、Zn與O的示意圖。
[0021 ]附圖5是本發明Ag摻雜ZnO薄膜的EDX圖譜。
[0022]附圖6是本發明Ag摻雜ZnO的Ag-Zn site圖。
[0023]附圖7是本發明Ag摻雜ZnO的Ag-Osite圖。
[0024]附圖8是本發明Ag慘雜ZnO的Agon interstitial site圖。
[0025]附圖9是本發明不同光功率Ag摻雜ZnO薄膜的J-E曲線。
[0026]附圖10是本發明不同光功率Ag摻雜ZnO薄膜的F-N曲線。
[0027]【具體實施方式】:
實施例1
一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，本制備方法包括
步驟一:選擇石英襯底；
步驟二:將石英襯底超聲清洗10?20分鐘(優選15分鐘)；
步驟三:將超聲清洗后的石英襯底氣吹干；
步驟四:將氧化鋅ZnO綁定在銅背板上，組成ZnO靶；
步驟五:將ZnO靶與石英襯底均置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內；
步驟六:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶；
步驟七:將射頻磁控濺射儀抽真空；
步驟八:將抽真空后的射頻磁控濺射儀運行30-60分鐘(優選30分鐘)；
步驟九:將運行30-60分鐘(優選30分鐘)的射頻磁控濺射儀關閉，并取出制備完成的Ag摻雜ZnO的薄膜。
[0028]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟一中:選擇石英襯底后先進行雙面拋光。
[0029 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟二中:將石英襯底超聲清洗的過程是:首先將石英襯底放入無水乙醇中超聲清洗10?20分鐘(優選15分鐘)，取出后在去離子超聲清洗10?20分鐘(優選15分鐘)。
[0030 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟三中:將超聲清洗后的石英襯底用純氮氣吹干。
[0031 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟四中:將氧化鋅ZnO片連接在銅背板上，組成ZnO靶。
[0032 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟五中:將ZnO靶與石英襯底均放置在底座后，再置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內。
[0033 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟六中:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶，Ag靶為Ag片。
[0034]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟七中:將射頻磁控濺射儀按照壓強為6.0XlO-4 Pa進行抽真空。
[0035 ]所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，步驟八中:射頻磁控濺射儀運行按照以下條件進行運行:射頻濺射源的功率為80W?120W(優選100W)，直流濺射源的功率為15W~25W(優選20W)，工作氣壓為I?3Pa(優選IPa)，射頻磁控濺射儀內的濺射氣體為純氬氣Ar，純氧氣O2作為反應氣體，純氬氣Ar與純氧氣O2的體積比為2:I，石英襯底的溫度保持在90° Ol 10° C。
[0036]實施例2
實施例1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，制得的Ag摻雜ZnO薄膜的場發射特性的測試包含以下步驟:
步驟一:將制得的Ag摻雜ZnO薄膜切割成0.5cm2作為陰極，將銅電極作為陽極；
步驟二:用玻璃絲將陰極與陽極隔離，間隔距離為100微米；
步驟三:在陰極與陽極之間加可調節電壓；
步驟四:將準備好的陰極與陽極送入KEITHLEY2410真空測試系統進行測試。
[0037]現11'!11^￥2410真空測試系統的真空度為6.0\10—4?&，紫外光由氙燈提供，波長為365 nm，頻率是50 Hz，功率為20 W。當場發射電流密度為10—6A/cm2時，陽極和陰極摻Ag的ZnO薄膜之間所加的最低電壓為開啟電壓，對應的電場為開啟電場。
[0038]實施例3
實施例2所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，對制得的Ag摻雜ZnO薄膜進行場發射測試，在不同光功率下，其開啟電場值14.3 V/μπι得到最大電流值為0.35μΑ，
電場值13.6 V/μπι得到最大電流值為0.46μΑ，
電場值13.8 V/μπι得到最大電流值為7.35μΑ，
電場值14 V/μπι得到最大電流值為10.59μΑ，
電場值15.2 V/μπι得到最大電流值為12.86μΑ。
[0039]本發明提供了采用本發明的材料分析其光場發射特性的結果，證明了所述Ag摻雜ZnO薄膜材料與所述純ZnO薄膜相比，其具有強的光場發射性能。
[0040]
參照圖1所示，說明摻雜Ag并不會改變ZnO薄膜的晶體結構，薄膜仍然是六方纖鋅礦結構。但是摻Ag后薄膜衍射峰的半峰寬略微變大，主峰位置稍微向小角偏移，說明摻Ag后的薄膜結晶性稍微有所下降；
參照圖2與3所示，可見表面均勻分布的帶有納米葉Ag摻雜ZnO薄膜材料，薄膜略有粗糙度，但變化不大。但摻Ag后的薄膜表面微尖端較密，這也反應了摻雜后薄膜結晶性略微下降；
參照圖4所不，銀原子成功慘入ΖηΟ，并確定了 Zn，0，Ag原子百分比和質莖百分比。
[0041]參照圖5-8所示，根據相關文獻報道銀原子摻入ZnO，主要存在三種情況(I)取代Zn摻雜；(2)間隙摻雜；(3)取代O摻雜;本實驗條件下，根據數據結果證明主要是第一種情況。
[0042]參照圖9所示，不同光功率條件下，光功率越大，電流曲線提升的越高，電流增加的幅度越大。并且Ag摻雜ZnO薄膜開啟電場遠遠小于未摻雜ZnO薄膜的開啟電場，且Ag摻雜ZnO薄膜的電流密度比未摻雜的ZnO薄膜電流密度整體提高了 4-5個數量級。不同功率光照下，電流曲線有上升的趨勢，電流增大。光照使得發射電流增大的原因:光照使得來自價帶和價帶附近受主能級的電子被激發到導帶中，增加了電子密度，增加了電子發射幾率，使得電流增大。
[0043]參照圖10所示，在高場下F-N曲線近似為直線，說明在較高的電場下為隧穿電子發射。同時，由于電場能量增加，摻雜和加光使得價帶電子也開始發射，可見光照射，價帶電子吸收光子，使得高電場區電流得到更顯著的提高。F-N曲線與高場下不同，較為平緩，即有掃尾現象。這種現象可能是由于在低場下有部分熱電子參與發射，加之表面吸附的一些極易電離的粒子，在低電場作用下就能輕易的越過表面勢皇發射到真空中。
[0044]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:本制備方法包括 步驟一:選擇石英襯底； 步驟二:將石英襯底超聲清洗10?20分鐘； 步驟三:將超聲清洗后的石英襯底氣吹干； 步驟四:將氧化鋅ZnO綁定在銅背板上，組成ZnO靶； 步驟五:將ZnO靶與石英襯底均置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內； 步驟六:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶； 步驟七:將射頻磁控濺射儀抽真空； 步驟八:將抽真空后的射頻磁控濺射儀運行30?60分鐘； 步驟九:將運行30?60分鐘的射頻磁控濺射儀關閉，并取出制備完成的Ag摻雜ZnO的薄膜。2.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟一中:選擇石英襯底后先進行雙面拋光。3.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟二中:將石英襯底超聲清洗的過程是:首先將石英襯底放入無水乙醇中超聲清洗10?20分鐘，取出后在去離子超聲清洗10?20分鐘。4.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟三中:將超聲清洗后的石英襯底用純氮氣吹干。5.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟四中:將氧化鋅ZnO片連接在銅背板上，組成ZnO靶。6.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟五中:將ZnO靶與石英襯底均放置在底座后，再置于射頻磁控濺射儀的射頻濺射射源內。7.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟六中:在射頻磁控濺射儀的直流濺射射源內裝入銀Ag靶，Ag靶為Ag片。8.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟七中:將射頻磁控濺射儀按照壓強為6.0XlO-4 Pa進行抽真空。9.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:步驟八中:射頻磁控濺射儀運行按照以下條件進行運行:射頻濺射源的功率為80W?120W，直流濺射源的功率為15W-25W，工作氣壓為I?3Pa，射頻磁控濺射儀內的濺射氣體為純氬氣Ar，純氧氣O2作為反應氣體，純氬氣Ar與純氧氣O2的體積比為2: I，石英襯底的溫度保持在90° Ol 10° C。10.根據權利要求1所述的光場輔助Ag摻雜ZnO強發射性能帶有納米葉的薄膜材料及其制備方法，其特征是:制得的Ag摻雜ZnO薄膜的場發射特性的測試包含以下步驟: 步驟一:將制得的Ag摻雜ZnO薄膜切割成0.5cm2作為陰極，將銅電極作為陽極； 步驟二:用玻璃絲將陰極與陽極隔離，間隔距離為100微米； 步驟三:在陰極與陽極之間加可調節電壓；步驟四:將準備好的陰極與陽極送入KEITHLEY2410真空測試系統進行測試。
【文檔編號】C23C14/02GK106086803SQ201610493441
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】姚成寶, 楊守斌, 勵強華, 張可心, 文杏
【申請人】哈爾濱師范大學