光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法
【专利摘要】光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法。本发明涉及一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法。本制备方法包括步骤一：选择石英衬底；步骤二：将石英衬底超声清洗10~20分钟；步骤三：将超声清洗后的石英衬底气吹干；步骤四：将氧化锌ZnO绑定在铜背板上，组成ZnO靶；步骤五：将ZnO靶与石英衬底均置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内；步骤六：在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶；步骤七：将射频磁控溅射仪抽真空；步骤八：将抽真空后的射频磁控溅射仪运行30~60分钟；步骤九：将运行30~60分钟的射频磁控溅射仪关闭，并取出制备完成的Ag掺杂ZnO的薄膜。本发明用于光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料。
【专利说明】
光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在光辐照下，半导体纳米材料的导电会发生变化，进而增强场电子发射性质。而场致发射在诸多光电子器件中有着十分广泛而重要的应用，如场致发射显不器、场发射扫描电子显微镜和微波器件等，而这些器件重要的问题之一就是设计并研究性能优异的场发射材料。
[0003]被称为万能材料的ZnO，由于具有宽能带、高激子结合能、复杂的本征缺陷、超快的响应时间等特点，使其作为优异的非线性光学材料，已经得到广泛研究和应用。特别是大的击穿场强和高的载流子迀移率，大的发射电流，使得它在场发射研究领域倍受青睐。目前ZnO场发射特性研究方面，制备方法主要集中在化学方法制备的一维纳米材料，并且主要针对ZnO本身研究较多。然而，近年来由于半导体微纳结构设想的提出和制作技术的重大突破，实现了不同金属元素掺杂ZnO的各种微纳结构复合材料制备，使得ZnO半导体材料非线性光学性质和光电器件应用性能得到了很大改善。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，用以解决上述问题，提供的Ag掺ZnO纳米薄膜材料的制备方法，证明了其具有强的光场发射性能；该方法提高了薄膜型ZnO的场发射电流密度，减小了场发射开启场强。
[0005]上述的目的通过以下的技术方案实现:
一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，本制备方法包括
步骤一:选择石英衬底；
步骤二:将石英衬底超声清洗10?20分钟；
步骤三:将超声清洗后的石英衬底气吹干；
步骤四:将氧化锌ZnO绑定在铜背板上，组成ZnO靶；
步骤五:将ZnO靶与石英衬底均置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内；
步骤六:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶；
步骤七:将射频磁控溅射仪抽真空；
步骤八:将抽真空后的射频磁控溅射仪运行30?60分钟；
步骤九:将运行30?60分钟的射频磁控溅射仪关闭，并取出制备完成的Ag掺杂ZnO的薄膜。
[0006]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤一中:选择石英衬底后先进行双面抛光。
[0007 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤二中:将石英衬底超声清洗的过程是:首先将石英衬底放入无水乙醇中超声清洗10?20分钟，取出后在去离子超声清洗10?20分钟。
[0008]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤三中:将超声清洗后的石英衬底用纯氮气吹干。
[0009 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤四中:将氧化锌ZnO片连接在铜背板上，组成ZnO靶。
[0010 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤五中:将ZnO靶与石英衬底均放置在底座后，再置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内。
[0011 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤六中:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶，Ag靶为Ag片。
[00?2 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤七中:将射频磁控溅射仪按照压强为6.0XlO-4 Pa进行抽真空。
[00?3 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤八中:射频磁控溅射仪运行按照以下条件进行运行:射频溅射源的功率为80W?120W，直流溅射源的功率为15W-25W，工作气压为I?3Pa，射频磁控溅射仪内的溅射气体为纯氩气Ar，纯氧气02作为反应气体，纯氩气Ar与纯氧气O2的体积比为2:1，石英衬底的温度保持在90° O
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[0014]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，制得的Ag掺杂ZnO薄膜的场发射特性的测试包含以下步骤:
步骤一:将制得的Ag掺杂ZnO薄膜切割成0.5cm2作为阴极，将铜电极作为阳极；
步骤二:用玻璃丝将阴极与阳极隔离，间隔距离为100微米；
步骤三:在阴极与阳极之间加可调节电压；
步骤四:将准备好的阴极与阳极送入KEITHLEY2410真空测试系统进行测试。
[0015]有益效果:
1.本发明采用半导体掺杂技术，解决现有的薄膜型ZnO发射材料场发射开启电压大、发射电流密度小的不足，为新一代平板显示器-场发射显示器(FED)提供性能优良的发射材料及制备方法。
[0016]2.本发明的Ag掺杂提高了ZnO薄膜的费米能级，降低了其功函数，即一定程度上降低了表面隧穿势皇高度，增大了场发射电流密度。
[0017]3.本发明的Ag原子在晶格中更多的以替代Zn位形式存在。能形成更多的正电子中心和施主能级。由于正电中心的束缚力比晶格对参加离子键的价电子的束缚能力小的多，因此将会有更多的电子解脱束缚而热激发到导带，从而提供了更多的电子源，提高了场发射电流密度。
[0018]【附图说明】:
附图1是本发明Ag掺杂ZnO薄膜的XRD图谱。
[0019]附图2是本发明Ag掺杂ZnO薄膜的参考尺度为I微米的扫描电镜(SEM)图。
[0020]附图3是本发明Ag掺杂ZnO薄膜的参考尺度为500纳米的扫描电镜(SEM)图附图4是本发明Ag、Zn与O的示意图。
[0021 ]附图5是本发明Ag掺杂ZnO薄膜的EDX图谱。
[0022]附图6是本发明Ag掺杂ZnO的Ag-Zn site图。
[0023]附图7是本发明Ag掺杂ZnO的Ag-Osite图。
[0024]附图8是本发明Ag惨杂ZnO的Agon interstitial site图。
[0025]附图9是本发明不同光功率Ag掺杂ZnO薄膜的J-E曲线。
[0026]附图10是本发明不同光功率Ag掺杂ZnO薄膜的F-N曲线。
[0027]【具体实施方式】:
实施例1
一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，本制备方法包括
步骤一:选择石英衬底；
步骤二:将石英衬底超声清洗10?20分钟(优选15分钟)；
步骤三:将超声清洗后的石英衬底气吹干；
步骤四:将氧化锌ZnO绑定在铜背板上，组成ZnO靶；
步骤五:将ZnO靶与石英衬底均置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内；
步骤六:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶；
步骤七:将射频磁控溅射仪抽真空；
步骤八:将抽真空后的射频磁控溅射仪运行30-60分钟(优选30分钟)；
步骤九:将运行30-60分钟(优选30分钟)的射频磁控溅射仪关闭，并取出制备完成的Ag掺杂ZnO的薄膜。
[0028]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤一中:选择石英衬底后先进行双面抛光。
[0029 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤二中:将石英衬底超声清洗的过程是:首先将石英衬底放入无水乙醇中超声清洗10?20分钟(优选15分钟)，取出后在去离子超声清洗10?20分钟(优选15分钟)。
[0030 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤三中:将超声清洗后的石英衬底用纯氮气吹干。
[0031 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤四中:将氧化锌ZnO片连接在铜背板上，组成ZnO靶。
[0032 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤五中:将ZnO靶与石英衬底均放置在底座后，再置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内。
[0033 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤六中:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶，Ag靶为Ag片。
[0034]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤七中:将射频磁控溅射仪按照压强为6.0XlO-4 Pa进行抽真空。
[0035 ]所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，步骤八中:射频磁控溅射仪运行按照以下条件进行运行:射频溅射源的功率为80W?120W(优选100W)，直流溅射源的功率为15W~25W(优选20W)，工作气压为I?3Pa(优选IPa)，射频磁控溅射仪内的溅射气体为纯氩气Ar，纯氧气O2作为反应气体，纯氩气Ar与纯氧气O2的体积比为2:I，石英衬底的温度保持在90° Ol 10° C。
[0036]实施例2
实施例1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，制得的Ag掺杂ZnO薄膜的场发射特性的测试包含以下步骤:
步骤一:将制得的Ag掺杂ZnO薄膜切割成0.5cm2作为阴极，将铜电极作为阳极；
步骤二:用玻璃丝将阴极与阳极隔离，间隔距离为100微米；
步骤三:在阴极与阳极之间加可调节电压；
步骤四:将准备好的阴极与阳极送入KEITHLEY2410真空测试系统进行测试。
[0037]现11'!11^￥2410真空测试系统的真空度为6.0\10—4?&，紫外光由氙灯提供，波长为365 nm，频率是50 Hz，功率为20 W。当场发射电流密度为10—6A/cm2时，阳极和阴极掺Ag的ZnO薄膜之间所加的最低电压为开启电压，对应的电场为开启电场。
[0038]实施例3
实施例2所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，对制得的Ag掺杂ZnO薄膜进行场发射测试，在不同光功率下，其开启电场值14.3 V/μπι得到最大电流值为0.35μΑ，
电场值13.6 V/μπι得到最大电流值为0.46μΑ，
电场值13.8 V/μπι得到最大电流值为7.35μΑ，
电场值14 V/μπι得到最大电流值为10.59μΑ，
电场值15.2 V/μπι得到最大电流值为12.86μΑ。
[0039]本发明提供了采用本发明的材料分析其光场发射特性的结果，证明了所述Ag掺杂ZnO薄膜材料与所述纯ZnO薄膜相比，其具有强的光场发射性能。
[0040]
参照图1所示，说明掺杂Ag并不会改变ZnO薄膜的晶体结构，薄膜仍然是六方纤锌矿结构。但是掺Ag后薄膜衍射峰的半峰宽略微变大，主峰位置稍微向小角偏移，说明掺Ag后的薄膜结晶性稍微有所下降；
参照图2与3所示，可见表面均匀分布的带有纳米叶Ag掺杂ZnO薄膜材料，薄膜略有粗糙度，但变化不大。但掺Ag后的薄膜表面微尖端较密，这也反应了掺杂后薄膜结晶性略微下降；
参照图4所不，银原子成功惨入ΖηΟ，并确定了 Zn，0，Ag原子百分比和质莖百分比。
[0041]参照图5-8所示，根据相关文献报道银原子掺入ZnO，主要存在三种情况(I)取代Zn掺杂；(2)间隙掺杂；(3)取代O掺杂;本实验条件下，根据数据结果证明主要是第一种情况。
[0042]参照图9所示，不同光功率条件下，光功率越大，电流曲线提升的越高，电流增加的幅度越大。并且Ag掺杂ZnO薄膜开启电场远远小于未掺杂ZnO薄膜的开启电场，且Ag掺杂ZnO薄膜的电流密度比未掺杂的ZnO薄膜电流密度整体提高了 4-5个数量级。不同功率光照下，电流曲线有上升的趋势，电流增大。光照使得发射电流增大的原因:光照使得来自价带和价带附近受主能级的电子被激发到导带中，增加了电子密度，增加了电子发射几率，使得电流增大。
[0043]参照图10所示，在高场下F-N曲线近似为直线，说明在较高的电场下为隧穿电子发射。同时，由于电场能量增加，掺杂和加光使得价带电子也开始发射，可见光照射，价带电子吸收光子，使得高电场区电流得到更显著的提高。F-N曲线与高场下不同，较为平缓，即有扫尾现象。这种现象可能是由于在低场下有部分热电子参与发射，加之表面吸附的一些极易电离的粒子，在低电场作用下就能轻易的越过表面势皇发射到真空中。
[0044]当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:本制备方法包括 步骤一:选择石英衬底； 步骤二:将石英衬底超声清洗10?20分钟； 步骤三:将超声清洗后的石英衬底气吹干； 步骤四:将氧化锌ZnO绑定在铜背板上，组成ZnO靶； 步骤五:将ZnO靶与石英衬底均置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内； 步骤六:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶； 步骤七:将射频磁控溅射仪抽真空； 步骤八:将抽真空后的射频磁控溅射仪运行30?60分钟； 步骤九:将运行30?60分钟的射频磁控溅射仪关闭，并取出制备完成的Ag掺杂ZnO的薄膜。2.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤一中:选择石英衬底后先进行双面抛光。3.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤二中:将石英衬底超声清洗的过程是:首先将石英衬底放入无水乙醇中超声清洗10?20分钟，取出后在去离子超声清洗10?20分钟。4.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤三中:将超声清洗后的石英衬底用纯氮气吹干。5.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤四中:将氧化锌ZnO片连接在铜背板上，组成ZnO靶。6.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤五中:将ZnO靶与石英衬底均放置在底座后，再置于射频磁控溅射仪的射频溅射射源内。7.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤六中:在射频磁控溅射仪的直流溅射射源内装入银Ag靶，Ag靶为Ag片。8.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤七中:将射频磁控溅射仪按照压强为6.0XlO-4 Pa进行抽真空。9.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:步骤八中:射频磁控溅射仪运行按照以下条件进行运行:射频溅射源的功率为80W?120W，直流溅射源的功率为15W-25W，工作气压为I?3Pa，射频磁控溅射仪内的溅射气体为纯氩气Ar，纯氧气O2作为反应气体，纯氩气Ar与纯氧气O2的体积比为2: I，石英衬底的温度保持在90° Ol 10° C。10.根据权利要求1所述的光场辅助Ag掺杂ZnO强发射性能带有纳米叶的薄膜材料及其制备方法，其特征是:制得的Ag掺杂ZnO薄膜的场发射特性的测试包含以下步骤: 步骤一:将制得的Ag掺杂ZnO薄膜切割成0.5cm2作为阴极，将铜电极作为阳极； 步骤二:用玻璃丝将阴极与阳极隔离，间隔距离为100微米； 步骤三:在阴极与阳极之间加可调节电压；步骤四:将准备好的阴极与阳极送入KEITHLEY2410真空测试系统进行测试。
【文档编号】C23C14/02GK106086803SQ201610493441
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】姚成宝, 杨守斌, 励强华, 张可心, 文杏
【申请人】哈尔滨师范大学