有機溶劑對氧化鉍納米結構形貌和場發射性能的影響

真空鍍膜 林金陽 福建工程學院信息學院

  為了研究有機溶劑對化學合成法中生成的氧化鉍納米材料結構及場發射性能的影響,反應過程中,分別添加三個不同劑量的有機溶劑,獲得三種產物。利用掃描電鏡對其結構進行分析,并進行場發射性能測試,結果表明,線狀的氧化鉍納米材料陰極陣列,開啟電場最小,為2. 6 V/μm,場增強因子最大,為2160,場發射性能最佳,手狀結構的氧化鉍納米材料陰極陣列場發射次之,類手狀結構最差,最后對有機溶劑對不同形貌產生的原因進行了分析。

  納米氧化鉍材料是一種多相和多晶結構的淡黃色固體,是一種用途相當廣泛的半導體材料,其對于標準氫電極它的導帶和價帶邊分別是0.33 和3.13eV,禁帶寬度Eg = 2.8 eV,且它具有較高的折射率、介電常數和顯著的光致發光和光電導特性,在光電子學器件、微電子學和傳感技術等領域有許多應用。

  納米氧化鉍的制備方法很多,傳統上可以籠統地分為氣相法、固相法和液相法,除這些方法外,人們還嘗試其它的方法來制備Bi2O3納米材料,取得了一定的進展,如模板法、脈沖激光法、電紡織法和低成本的化學合成法。到目前為止,關于基于低成本的化學合成法制備氧化鉍納米線的報道文獻很少,所以本文將致力于研究在化學合成法中,有機溶劑作為分散劑對產物粒徑大小、形貌及晶型的影響,并對產物樣品進行場致發射性能測試。通過對材料的表征,我們將獲取氧化鉍納米材料粒徑、形貌和晶型與有機溶劑、反應物及工作條件之間的關系,為基于化學合成法的氧化鉍納米材料的制備提供了科學依據;同樣通過對氧化鉍納米材料的場發射結果分析,我們將獲取材料形貌、結果與場發射的關系,氧化鉍納米材料在場發射領域中的應用價值,為場發射中陰極材料的研究提供一個科學參考。

1、實驗

  取0.485 g 的Bi(NO3)3·5H2O,溶解于9 ml 的稀硝酸(1 mol /L) ,形成溶液,置于錐形瓶中,室溫下攪拌溶解,并隨后加入一定量的油酸、庚烷和丙酮,磁力攪拌10 min 后,并在持續的磁力攪拌下,逐漸滴加氫氧化鈉溶液,調節至不同的pH 值,待反應結束后,常溫下攪拌8 min 后,過濾洗滌,再經醇洗、干燥脫水、焙燒,備用。

  本文采用NaOH 為沉淀劑,其反應方程如下:

有機溶劑對氧化鉍納米結構形貌和場發射性能的影響

  在反應過程中,如果沒有加入分散劑,則反應溶液為水溶液,在以水為體系中,離子擴散速度快,反應的速度也快,所以晶粒生長的速度就過快,粒徑變大,這是獲得高性能納米材料的一個重要障礙,所以為了防止晶粒生長速度過快,就需要在反應體系中加入添加劑,在本反應中,為了控制生長速度,加入了油酸、庚烷和丙酮等有機溶劑,這些有機溶劑阻礙了反應離子之間的快速反應,增強了顆粒之間的空間位阻,起到了控制晶粒成長,防止顆粒團聚的作用。

  在相同的溶液濃度、溶劑濃度、干燥溫度、煅燒溫度等條件下,當加入有機溶劑為1 ml 的油酸,1ml的庚烷和5 ml 的丙酮;3 ml 的油酸,3ml 的庚烷,10ml 的丙酮;5 ml 的油酸,5ml 的庚烷,15 ml 的丙酮;三種不同的劑量,獲得了三種產物,分別標志為A 產物、B 產物、C 產物,并通過掃描電子顯微鏡(SEM,日立S-3000N 系列) 對這些產物進行分析測試。將這三份產物,分別經過過濾、烘干、漿料配制、超聲粉碎、絲網印刷到陰極電極上,并進行燒結,獲得相應的A 樣品、B 樣品C 樣品。三個樣品封裝測試,并進行場發射性能對比。

2、結果與討論

  2.1、氧化鉍的形貌

  圖1 為三個樣品的SEM 分析,圖1 (a) 為樣品A,有大面積的手狀結構,這些結構的直徑為幾百納米,長度均在1 μm 以上;圖1(b) 為樣品B,其形貌結構為線狀結構,直徑約為50 nm,納米線的長度從幾微米到幾十微米不等; 圖1(c) 為樣品C,有大面積的類手狀結構,且在各分支之間存在一些支狀的沉積物,這些結構的直徑也在幾百納米之上,長度為1μm 以上。

  從圖1 的對比看出,有機溶劑的濃度對產物的形貌有很大的影響。這是因為這些有機溶劑作為一些分散劑或表面活性劑,能夠有選擇地吸附在晶核的表面,而晶核的一些晶面也因為吸附有機溶劑,影響了晶核這些晶面的成長速度,最終造成了不同的形貌,在實驗中,一共用三種的有機溶劑,每種有機溶劑有相對應的晶面吸附,調節了不同晶面的相對生長自由能,從而改變原來晶體的生長習性,得到了如圖1 所示的各種形貌。

不同劑量的有機溶劑的產物SEM 圖

圖1 不同劑量的有機溶劑的產物SEM 圖

  2.2、氧化鉍的場發射性能

  圖2 為不同量有機物有機溶劑的氧化鉍產物的場發射特性圖,從圖2 中可以看出,B 樣品即線狀的納米氧化鉍材料的開啟電場、閾值電場明顯比A 樣品( 手狀的納米氧化鉍材料) 、C 樣品( 類手狀的納米氧化鉍材料) 的低,而A 樣品的開啟電場、閾值電場居中,C 樣品的開啟電場及閾值電場最高。若定義場發射器件在工作電壓作用下產生0.1 μA/cm2 的電流密度所需的電場為器件的開啟電場,則從圖中的J-E 曲線,可以算出,A 樣品的開啟電場為3.2V/μm,B 樣品為2.6 V/μm,C 樣品則為5.7 V/μm。

不同量有機溶劑下制備的氧化鉍納米材料陣列的J-E 曲線圖

圖2 不同量有機溶劑下制備的氧化鉍納米材料陣列的J-E 曲線圖

3、結論

  采用化學合成法,制備氧化鉍納米材料,通過對反應過程中影響因素的研究,我們發現,作為分散劑或表面活性劑的油酸、庚烷和丙酮,能夠吸附在氧化鉍的晶核的一些晶面上,這些有機溶劑濃度的不同,影響氧化鉍晶核的晶面的成長速度,最終影響其形貌。通過場發射性能測試表明,不同納米材料的形貌,影響其場增強因子,并最終影響場發射性能,其中線狀的氧化鉍納米材料的場增強因子最大,大小約為2160,對應的開啟電場最低、發光情況最好,而類手狀的氧化鉍納米材料的場增強因子最小,只有1200 左右,其對應的開啟電場最高、發光情況最差。