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若干—维纳米结构材料的制备与应用研究

郑凯波  
【摘要】: 近年来,一维纳米材料由于具有优异的物理、化学、机械等性能而得到广泛的研究。特别是一维纳米材料的应用研究包括其纳米材料性能测试,器件组装,器件性能评估等成为了目前纳米领域的研究热点。本论文分别以有机M-TCNQ和无机ZnO两种材料作为对象,研究了其一维纳米结构的一些基本光/电特性,并基于这些特性制备相应的应用原型器件。主要研究分为以下几个部分: 通过真空气相法与溶液法两种方法制备了形貌各异的M-TCNQ一维纳米结构,并通过SEM, XRD, Raman等手段表征了其形貌与结构特征。并分析了其制备过程中的生长机理。 测试了单根Cu(TCNQ)纳米线的电学特性,发现单根Cu(TCNQ)纳米线具有典型的电开关特性,纳米线的阻态转变电压阈值与纳米线在两极之间的有效长度基本呈线性关系,讨论了电开关过程中的时域响应。同时发现单根纳米线的局域加热作用会影响电开关过程,应此不同于常温环境,在低温条件下纳米线的电开关效应是非易挥发性的。 采用两种结构组装完成了基于Cu(TCNQ)纳米线的过电压保护器原型,分别为光刻孔洞结构与多孔氧化铝AAO模板辅助结构。测试他们的组态转变性能,同时通过将保护器与模拟带保护元件10 k电阻R1并联,在电压超过阈值后,能有效的起到分流保护作用。 研究了M-TCNQ纳米线阵列的真空场致发射性能,发现在基底有同质金属缓冲层的存在下,M-TCNQ纳米线能达到mA/cm2级别的发射电流。利用这一特点,我们制备了阴极为ITO/图案化Cu膜/Cu(TCNQ)纳米线的场发射显示原型器件。进行了荧光点亮测试,发现在施加电压为1200 V时器件能达到最大亮度810cd/m2。 使用气相法和溶液法两种方法制备了ZnO一维纳米线结构,得到了ZnO纳米线阵列和四针状纳米晶须两种结构,并对其形貌与结构进行了表征,同时讨论了两种方法的生长机理和工艺参数。 以上述制备得到的单根ZnO纳米线作为材料,通过光刻lift-off工艺组装了单根ZnO纳米线的背底型场效应管原型器件。器件的电学特性测试得到ZnO纳米线载流子浓度n=1.15×108 cm-1;电子迁移率ue=14.4 cm2/Vs,σ=0.26Ω-1cm-1。场效应管的上限截止频率fH=1585 Hz,源漏之间极间电容C=25.4 pF。同时场效应管在紫外区域也有很强的光电响应特性。同时光电响应中,栅极电压也能对样品光电流的改变率和驰豫时间进行调制。 以制备得到的ZnO一维纳米结构作为材料制备两种气敏传感器。首先是以ZnO四针状纳米晶须压片制备得到了酒精气敏传感器,测试其在275℃工作温度下对酒精有较大的灵敏度。另外对ZnO四针状纳米晶须进行了Ti离子掺杂,发现掺杂后的样品的灵敏度比ZnO样品平均高出一个数量级,在10 ppm的低浓度条件下都能获得3.4的灵敏度。同时无论是响应还是恢复过程ZnO:Ti样品均比ZnO样品要快,这与ZnO晶格中Ti4+部分替代Zn2+而产生了Ti施主(TiZn),从而会产生更多的电子有关。 第二是单根ZnO纳米线构成的微腔气敏传感器,这里的微腔是指在单根ZnO纳米线器件上密封组装成体积约为1 cm3的气室用以快速交换探测气体,实验结果表明在室温条件下,器件对5000 ppm的氧气和乙醇灵敏度达1.3和1.5,对两种气体的响应时间小于10 s,恢复时间小于50 s。这比一般体材料与薄膜材料在室温条件下的特性得到了大幅提高。同时分析单根器件的气敏机理,得到其气敏特性的改善是由于一维小尺寸材料在工作电流影响下自加热效应。 利用CVD方法所制备的ZnO四针状纳米晶须作为发射体,采用丝网印刷工艺,低熔点玻璃粉封装工艺等手段结合制备了72×72(六寸)的场发射动态矩阵显示器原型器件。对器件的场发射性能进行了测试,初步实现了动态字符“复旦大学材料系”的字符显示。其中每个字符所占像素为30×30。


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