高能X射线辐照对ZnO纳米线结构及其场致电子发射特性的影响

【作者】 赵传熙； 陈军； 王波； 伊福廷；

【机构】 中山大学物理科学与工程技术学院光电材料与技术国家重点实验室显示材料与技术广东省重点实验室； 中国科学院高能物理研究所；

【摘要】 准一维ZnO纳米材料具有稳固的结构和优良的理化性能,在场发射冷阴极、紫外激光器、发光二极管及压电换能器等领域有重要的应用前景。ZnO纳米线具有优异的场发射特性,作为冷阴极电子源有重要的应用前景。冷阴极电子源有可能应用在辐照环境下,前期已有研究报道了单晶ZnO材料在高能质子和高能电子辐照下结构及特性的变化,然而对于高能X射线辐照对ZnO纳米线结构和场发射特性影响的研究工作尚未见报道[4-7]。理解高能X射线辐照与ZnO材料的相互作用机制,对于其应用有重要的指导意义,有必要开展ZnO纳米线的在辐照环境下的适应性研究。本论文采用同步辐射光源产生的高能X射线辐照ZnO纳米线,研究X射线辐照剂量对ZnO纳米线的结构及其场致电子发射特性的影响,并探讨其相应的物理机制。采用热氧化法制备ZnO纳米线。图1是制备的图案化的ZnO纳米线SEM形貌图。ZnO纳米线分布较为均匀致密,平均长度为2.5μm,尖端直径为20+5nm,分布密度为6×108cm2。将制备的ZnO纳米线暴露于高能X射线光束下进行辐照处理。辐照时背底真空度优于10-3Pa,X射线能量范围2～10keV,辐照剂量分别为3.0×1014,1.8×1015和3.6×1015phs/cm2。采用采用金属阳极探针法分别测量了未辐照与辐照样品的场发射特性。所用的探针直径为2mm,测量时阴阳极间距为250μm。测量得到的不同X射线辐照剂量下,ZnO纳米线场致电子发射的电流密度-电场强度(J-E)特性曲线(如图2所示)。随辐照剂量增加,样品的开启电场(对应发射电流密度为100μA/cm2)从7.57V/μm增加到10.1V/μm,随后减少到8.56V/μm并基本不变;同时辐照处理后样品场发射稳定性均有改善。采用透射电子显微镜(TEM)观察辐照前后ZnO纳米线的晶格结构及形貌,结果显示X射线辐照导致样品表层出现非晶颗粒及区域化非晶现象。辐照引起ZnO纳米线结构相变,这主要是源于高能X射线光子与ZnO晶格强烈相互作用引起的辐射热效应。X射线光电子能谱(XPS)结果显示,辐照导致ZnO纳米线中的金属结合氧比例减少和半高宽减小,这表明辐照对ZnO纳米线表面具有一定的还原作用。综上所述,一方面,高能X射线辐照会导致ZnO纳米线晶格结构及表面形貌发生改变,影响纳米线的电学特性及表面成分和电子结构等;另一方面辐照还会导致硅衬底表面SiO2氧化层荷电,与ZnO纳米线之间形成界面束缚态,不利于ZnO纳米线的电输运特性,以上两方面影响ZnO纳米线的场致电子发射性能。同时,实验结果显示,尽管X射线辐照会对ZnO纳米线冷阴极的结构及场发射特性有影响,辐照后ZnO纳米线具有较好的发射稳定性和发射性能,ZnO纳米线冷阴极具有一定的抗辐射能力。更多还原