Labai lankstūs ir tvirti n-skiedinių pavidalo sic nanodalelių lauko spinduliuotės | NPP Azijos medžiagos

Labai lankstūs ir tvirti n-skiedinių pavidalo sic nanodalelių lauko spinduliuotės | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Nanowires

Anotacija

Lanksčių lauko spinduliuotės (FE) skleidėjai, kurių unikalūs pranašumai yra lengvi ir suderinami, žada sudaryti galimybes įvairiausioms technologijoms, tokioms kaip sudedamieji lankstieji FE ekranai, elektroniniai dokumentai ir lankstūs šviesos diodai. Šiame darbe pirmą kartą parodome labai lanksčius SiC lauko teršalus, turinčius žemą įjungimo lauką ir puikų išmetamųjų teršalų stabilumą. n-tipo SiC nanodalelės su ypač aštriais antgaliais ir pritaikyti N-dopingo lygiai buvo susintetinti naudojant katalizatoriaus atliekamą pirolizės procesą ant anglies audinių, kontroliuojant dujų mišinį ir aušinimo greitį. SiC nanodalelių skleidėjų, kurių N-dopingo lygis yra 7, 58%, įjungimo lauko, slenksčio lauko ir dabartinio išmetamųjų teršalų svyravimo svyravimai yra atitinkamai 1, 11 V μm −1, 1, 55 V μm −1 ir 8, 1%, o tai rodo geriausią bendrą našumą. tokiems lankstiems lauko skleidėjams. Be to, apibūdinant FE savybes kartojant lenkimo ciklus ir skirtingas lenkimo būsenas, paaiškėja, kad silicio dioksido lauko emiteriai yra mechaniškai ir elektriškai tvirti, turintys precedento neturintį didelį lankstumą ir stabilumą. Šios išvados pabrėžia lygiagrečios morfologijos ir sudėties kontrolės svarbą nanomedžiagų sintezėje ir nustato, kad SiC nanodalelės yra perspektyviausias kandidatas į lankstų FE pritaikymą.

Įvadas

Pastaraisiais dešimtmečiais lankstūs elektroniniai prietaisai sulaukė didelio dėmesio dėl daugybės perspektyvių programų, tokių kaip lankstūs energijos kaupimo įtaisai, nešiojamos energijos kaupimo sistemos ir tempiama elektronika. 1, 2, 3, 4 Tarp besivystančių technologijų yra didelis susidomėjimas lanksčiojo lauko spinduliuotės (FE) spinduliuotėmis dėl jų unikalaus lengvumo, pritaikomumo ir lankstumo, o tai suteikia jiems didelį pranašumą, kad jie naudojami lanksčiai suvyniojant FE. ekranai, 3 elektroniniai dokumentai 5 ir aukštos kokybės rentgeno vamzdžiai. 6 Norint įjungti tokius naujos kartos lanksčius įtaisus, lankstieji katodai turi būti naudojami kaip pagrindinis pradinis komponentas, pakeičiantis įprastus skleidėjus, išaugintus ant kieto pagrindo. Šie lankstūs skleidėjai turėtų išlaikyti savo originalias ar dar geresnes FE savybes, taip pat puikias elektrines ir mechanines savybes po lenkimo, suspaudimo, sukimo ir tempimo. 7, 8 Iki šiol buvo sukurta įvairių katodų, pagrįstų lanksčiais substratais, tokiais kaip polimerai, 9 grafenas 7 ir anglies audiniai. 10 Tačiau vis dar yra kliūčių, susijusių su medžiagomis ir gamyba, kad būtų galima įgyvendinti aukšto efektyvumo lanksčius teršalų išmetimo įrenginius.

Silicio karbidas (SiC) yra puiki medžiaga, skirta konstruoti pažangių FE skleidėjus. SiC yra trečiosios kartos plačiajuosčio tarpo puslaidininkis, pasižymintis puikiomis fizinėmis savybėmis, tokiomis kaip didelis stiprumas ir standumas, stabilumas aukštoje temperatūroje, atsparumas korozijai ir didelis šilumos laidumas. 11, 12, 13 Iki šiol keliuose tyrimuose buvo tiriamos nanostruktūrizuoto silicio dioksido emiterių, išaugintų ant tvirto pagrindo, FE savybės. SiC nanolaidų pranešti įjungimo laukai (nuo E iki, apibrėžti kaip elektrinis laukas, reikalingas 10 μA cm − 2 srovės tankiui generuoti) yra 3, 33–20 V μm −1, 14, 15, 16, 17, o silicio dioksido nanodidų ir nanobeltų - atitinkamai 13–17 V μm −1, 18 ir 3, 2 V μm −1, 19 . E spinduliuotę galima dar sumažinti iki 0, 7–2, 9 V μm −1, naudojant emiterius suderintus SiC nanolaidus. 20, 21 Tačiau buvo nedaug tyrimų, susijusių su lanksčiais silicio dioksido lauko skleidėjais. 22, 23, 24 Be to, nebuvo ištirta, ar dopingas daro įtaką vien dimensijos (1D) nanostruktūrų SiC kristalų augimo elgsenai ar jų FE savybėms. Šio tyrimo tikslas - ištirti lanksčius silicio dioksido lauko skleidėjus, kurių E iki, pasižymi dideliu našumu ir geru stabilumu, ir ypač reikia išmanyti apie lanksčių SiC lauko skleidėjų mechaninį ir elektrinį tvirtumą esant skirtingiems įtempiams.

Šiame tyrime mes tiriame N-dopingo kontroliuojamą n rūšies SiC nanodalelių augimą ant anglies audinių, sukuriant labai lanksčius ir tvirtus SiC lauko skleidėjus. Norėdami žymiai pagerinti SiC emiterių FE savybes, mes sukūrėme strategijas, kaip sustiprinti vietinio lauko stiprinimo efektą, tiksliai kontroliuojant SiC nanodalelių augimą aštriais antgaliais 25 ir padidinti lokalizuotą valstybių tankį Fermio lygyje, įtraukiant tinkamus skiediklius. Gauti SiC nanodalelės pasižymi puikiomis savybėmis, turinčiomis mažą E iki siaurame 1, 11–1, 38 V μm –1 diapazone, puikiu elektronų emisijos stabilumu ir dideliu lankstumu, taip pat precedento neturinčiu mechaniniu ir elektriniu tvirtumu. Mūsų darbas nustatė, kad tokie N-skiedžiami silicio dioksido nanodaleliai yra perspektyviausi kandidatai pritaikyti praktiškai lanksčiuose FE įrenginiuose.

Eksperimentinė procedūra

Elastingi n tipo SiC nanodaleliai buvo susintetinti atliekant polisilazano pirmtako (papildomo pav. S1, Chemijos institutas, Kinijos mokslo akademija, Kinija) pirolizę katalizatoriaus pagalba ant anglies audinių substrato įprastoje grafito kaitinimo krosnyje. Pirmiausia skystas polisilazanas buvo sukietintas termiškai apdorojant 260 ° C temperatūroje 30 minučių kvarco vamzdžių krosnyje, esant Ar atmosferai (grynumas: 99, 99%), o po to rutulinis malimas į amorfinius SiCN (O) miltelius. Anglinio audinio substratai 2 minutes buvo panardinami į 0, 05 mol l –1 koncentracijos 0, 05 mol l –1 etanoliniame Co (NO 3 ) 2 tirpale ir po to natūraliai džiovinami ore kambario temperatūroje. Apdoroti substratai buvo dedami ant grafito tiglio (grynumas: 99%), kuriame yra 300 mg SiCN (O) miltelių. Vėliau tiglis su substratu buvo dedamas į grafito kaitinimo krosnies centrą. Krosnies kamera pirmiausia buvo perpumpuota iki 10–4 Pa, o po to į kamerą buvo įpiltas N2 / Ar dujų mišinys (tiek N 2, tiek Ar yra 99, 99% grynumo, 0, 1 MPa). Dujų prapūtimas buvo pakartotas tris kartus, kad O2 kiekis kameroje sumažėtų iki nereikšmingo. Galiausiai krosnis per 48 minutes buvo pašildyta iki norimos 1450 ° C temperatūros, o po to atvėsinta iki 1100 ° C per įvairius 25, 35 ir 40 minučių laikotarpius skirtingu aušinimo greičiu, po to natūraliai aušinant iki kambario temperatūros. Norint kontroliuoti SiC 1D nanostruktūrų dopingo lygius pirolizės proceso metu, į krosnies kamerą buvo įpilami skirtingi N 2 / Ar dujų mišiniai, turintys įvairaus N 2, turinčio 5, 10 ir 15 tūrio%, tekančio greičio 200 sccm. Susintetinti mėginiai S1, S2, S3, S2-1 ir S3-1 yra produktai, pagaminti su aušinimo trukme 25 min., 25 min., 25 min., 35 min. Ir 40 min., O N2 kiekis yra 5 tūrio %, 10%%, 15%%, 10%% ir 15% tūrio dujų mišiniuose.

Gauti produktai buvo apibūdinami naudojant FE skenavimo elektronų mikroskopiją (FE-SEM, S-4800, Hitachi, Tokijas, Japonija), didelės skiriamosios gebos perdavimo elektronų mikroskopiją (didelės skiriamosios gebos TEM, JEM-2100F, JEOL, Kawagoe, Japonija), aprūpintą energiją sklaidanti rentgeno spektroskopija (Quantax-STEM, Bruker, Karlsruhe, Vokietija), rentgeno spindulių difrakcija (D8 Advance, Bruker) su Cu Ka spinduliuote ( λ = 1, 5406 Å) ir rentgeno fotoelektroninė spektroskopija (AXIS ULTRA DLD, Shimadzu), Kiotas, Japonija). Lanksčių n tipo SiC nanodalelių, kurių atvirieji plotai yra 0, 4 × 0, 4 cm 2, FE savybės buvo matuojamos namuose sukurtame aukšto vakuumo įrenginyje, kurio bazinis slėgis kambario temperatūroje buvo ~ 1, 5 × 10 –7 Pa. Srovės ir įtampos ( I – V ) kreivės buvo užfiksuotos Keithley 248 metre (Tektronix, Cleveland, OH, JAV), nustatant 0, 1 fA skiriamąją gebą. Nustatytas ~ 700 μm atstumas tarp SiC nanodalelių emiterio paviršiaus ir vakuumo kameros anodo.

Rezultatai

Norint sintetinti 1D SiC nanostruktūras kontroliuojamu dopingo būdu, pirolizės procedūroje dujų mišinio N 2 / Ar tūrio santykis buvo kruopščiai pritaikytas santykiu 5:95, 10:90 ir 15:85. Aušinimo greitis buvo pastovus kaip 14 ° C min- 1, kai temperatūra sumažėjo nuo 1450 iki 1100 ° C. Gauti produktai žymimi atitinkamai S1, S2 ir S3 pavyzdžiais.

1a1 – a3 paveiksluose pavaizduoti S1 pavyzdžio, išauginto ant anglies audinio substrato, esant skirtingiems padidinimams, tipiniai SEM vaizdai, rodantys, kad substrate 1D nanostruktūros yra didelio masto ir vienalytės (taip pat žiūrėkite papildomus S2a ir b paveikslus). Remiantis SEM stebėjimais, SiC nanostruktūrų tankis yra ~ 3, 6 × 10 5 mm – 2 . Pažymėtina, kad nanostruktūros yra panašios į adatas ir turi aiškius ir aštrius galiukus (1a1 ir a2 pav.). Tipiškas nanodalelių ilgis yra ~ 40 μm, o vidutinis kraštinių santykis yra ~ 65 (1a1 pav.). 1a4 paveiksle parodytas tipinis SiC nanodalelių TEM vaizdas, parodantis smailėjančią morfologiją lygiu paviršiumi ir mažu galu, kurio dydis vidutiniškai ~ 35 nm. 1a5 paveiksle parodytas atitinkamas aukštos skiriamosios gebos adatos TEM vaizdas, užfiksuotas iš 1a4 paveiksle pažymėtos A srities. Atstumas tarp dviejų briaunų yra ~ 0, 25 nm, atitinkantis 3 C -SiC {111} plokštumas, kas rodo, kad nanodyglys auga [111] kryptimi. Pasirinktas SiC nanodalelio elektronų difrakcijos ploto modelis (papildomas paveikslas S2c) patvirtina, kad 3 C -SiC nanodyglys turi vienkristalinį pobūdį. Remiantis išmatuotais> 20 nanodalelių (papildomas S2d pav.) Matavimais, vidutinė N dopantų koncentracija yra ~ 4, 39% (%), esant vienodam erdviniam pasiskirstymui, ir tai rodo, kad nanodaleliai yra n tipo SiC. 27

Image

( a1 - a3 ) Tipiški skenavimo elektroninio mikroskopijos (SEM) S1 mėginio SiC nanodalelio vaizdai skirtingu didinimu. ( a4 ) Tipinis SiC nanodalelių perdavimo elektronų mikroskopijos (TEM) vaizdas. ( a5 ) Aukštos skiriamosios gebos TEM vaizdas, įrašytas iš pažymėtos A zonos a4 . ( b1, b2 ) S2 mėginio SC nanodalelių SEM atvaizdai skirtingu didinimu. ( c1, c2 ) S3 mėginio SiC nanosriegio SEM vaizdai skirtingais didinimais.

Visas dydis

1b1 paveiksluose pavaizduoti S2 ir S3 pavyzdžių tipiniai SEM vaizdai atitinkamai skirtingu didinimu. Įdomu tai, kad, skirtingai nuo S1 pavyzdžio adatos formos nanodalelių, buvo gauti įprasti SiC nanovieliai be aštrių galiukų (papildomi S3 ir S4 paveikslai), reiškiantys, kad dujų mišinių kompozicijos daro didelę įtaką SiC nanostruktūrų augimo morfologijai. Dažnai pastebimi katalizatoriaus lašai ant laidų galvučių S2 ir S3 pavyzdžiuose. Iš lašelio užfiksuotas energiją išsklaidančios rentgeno spinduliuotės spektroskopijos spektras atskleidžia daugiausia Si, C, Co ir Cu sudėtį (Cu signalas kyla iš vario tinklelio, naudojamo TEM mėginiui paremti), kaip parodyta papildomame S5 paveiksle, kuris rodo, kad laidų augime dominuoja garų, skysčių ir kietų mechanizmas. Katalizatoriaus lašelių tipiniai dydžiai S2 ir S3 yra atitinkamai ~ 500 nm ir ~ 700 nm (1b2 ir c2 paveikslai, papildomi S3 ir S4 paveikslai). Nanolaidai taip pat yra 3 C -SiC, kurių vieno kristališkumo ir [111] augimo kryptis yra panaši kaip S1 pavyzdžio, neatsižvelgiant į augimo metu naudojamų dujų mišinių sudėtį (papildomi S3c ir d paveikslai). Vidutinės N dopantų koncentracijos S2 ir S3 mėginiuose yra atitinkamai ~ 5, 78% ir 7, 32%. Šie rezultatai rodo, kad SiC nanodalelių morfologiją ir N-dopingo lygius galima tuo pat metu pritaikyti koreguojant N2 / Ar santykį dujų mišinyje (žr. Papildomą S6 paveikslą apie siūlomą mechaninio dopingo kontroliuojamo silicio dioksido nanodalelių augimą).

2a ir b paveiksluose parodyti sintezuotų mėginių S1, S2 ir S3 rentgeno spindulių difrakcijos modeliai. 2a paveikslo smailės gali būti indeksuojamos pagal difrakciją nuo SiC (111), (200), (220) ir (311) plokštumų, nurodant, kad išaugę produktai yra gryni 3 C -SiC (JCPDS kortelė Nr. 29-1129). . Smailė, pažymėta „SF“, priskiriama krovimo gedimams esant 3 C –SiC. 28 2b paveikslas pateikia išsamesnį (111) smailių vaizdą. Palyginus su standartiniais duomenimis (JCPDS kortelė Nr. 29-1129), kurie pažymėti kaip raudona punktyrine linija, visų mėginių (111) smailės pasislenka į didesnius kampus, kas rodo sėkmingą SiC nanostruktūros N-dopingą tokios formos pavidalu. pakaitinio kietojo tirpalo. Didesnis N-dopingo lygis leistų labiau iškraipyti 3 C -SiC gardeles, o tai lemia didesnius (111) smailių poslinkius, kaip pastebėta S1, S2 ir S3 pavyzdžiuose. Ši tendencija atitinka N-dopingo lygį atitinkamai ~ 4, 39%, 5, 78% ir 7, 32%% pavyzdžiuose S1, S2 ir S3, gautus atlikus energiją sklaidančią rentgeno spektroskopijos analizę.

Image

a ) mėginių S1, S2 ir S3 rentgeno spindulių difrakcijos schemos. b ) Išplėstinis vaizdas, rodantis (111) difrakcijos smailių poslinkį dėl skirtingo N-dopingo lygio. c ) Tyrimo XPS spektrai kartu su ( d ) Si 2p, ( e ) C 1s ir ( f ) N 1s spektru.

Visas dydis

Daugiau įrodymų apie N-dopingo naudojimą SiC nanodalelėse yra rentgeno fotoelektrono spektroskopijos duomenimis, parodytais 2c – f paveiksluose. Rišamosios energijos yra standartizuotos mėginio įkrovimui naudojant C 1 kaip atskaitos tašką esant 284, 6 eV. 2c paveiksle pavaizduoti S1, S2 ir S3 mėginių tyrimo spektrai, o jokių kitų elementų, išskyrus Si, C, N ir O, nepastebėta. O smailė daugiausia kyla dėl deguonies, absorbuoto ant SiC nanostruktūrų paviršių. Si2p ir C1 savybės parodytos atitinkamai 2d ir e paveiksluose. Smailės, sutelktos ties ~ 102, 5 eV ir ~ 285, 7 eV, priskiriamos atitinkamai SiC Si 2p ir C 1. 29 Be to, Si 2p smailė 4d paveiksle turi asimetrinę formą su uodega, turinti didesnę surišimo energiją, kurią galima priskirti SiOx rūšims ant nanodalelių paviršių. 30 2e paveikslo spektras rodo dar vieną C1 smailę esant žemesnei surišimo energijai - 284, 6 eV, tai yra anglies audinio signalas. 2f paveiksle aiškiai pastebimos N1s smailės, nukreiptos į ~ 399, 0 eV, ir tai patvirtina N-dopingą SiC nanostruktūrų kristalinėse gardelėse.

N-dopingas daro didelę įtaką 1D puslaidininkių nanostruktūrų FE veikimui. 31, 32 SiC nanostruktūrų N-dopingo lygio FE savybėms tirti turėtų būti naudojami panašios morfologijos emiteriai; tokiu atveju reikėtų išlaikyti aštrius galiukus. Remdamiesi savo ankstesniu darbu dėl kontroliuojamo silicio dioksido lauko skleidėjų augimo, 33 paruošėme SiC nanodaleles, prailgindami aušinimo laiką nuo 1450 iki 1100 ° C iki 35 ir 40 min (tai yra, esant 10 ° C min –1 aušinimo greičiams ir Atitinkamai 8, 75 ° C min –1 ) esant tokioms pačioms eksperimentinėms sąlygoms kaip S2 ir S3, o gauti mėginiai žymimi atitinkamai S2-1 ir S3-1 pavyzdžiais. 3a1 – a3 ir b1 – b3 paveiksluose pavaizduoti tipiniai S2-1 ir S3-1 pavyzdžių SEM vaizdai atitinkamai skirtingais didinimais, atskleidžiantys sėkmingą SiC nanodalelių sintezę su aštriais ir aiškiais galais. Vidutinis abiejų mėginių adatų antgalių skersmuo yra ~ 35 nm, o tai yra panašiai kaip S1 mėginio. S2-1 ir S3-1 mėginių N-dopingo lygis yra atitinkamai ~ 6, 01% ir 7, 58%.

Image

( a1 - a3 ) Tipiniai nuskaitymo elektroninio mikroskopijos (SEM) vaizdai iš SiC nanodalelio S2-1 pavyzdyje skirtingais didinimais. ( b1 - b3 ) S3-1 mėginio SiC nanodalelio SEM atvaizdai skirtingu didinimu. c ) SiC nanostruktūrų, tai yra, nanodalelių ir nanovielių, santrauka kaip dujų mišinio ir aušinimo greičio, naudojamo sintezės metu, funkcija.

Visas dydis

Eksperimentiniai pavyzdžių S1, S2, S3, S2-1 ir S3-1 pavyzdžiai rodo, kad tiek n- tipo SiC dopingo lygį, tiek morfologiją galima patikimai kontroliuoti pritaikant N2 / Ar santykį dujų mišiniuose ir aušinimo greitis pirolizės proceso metu. Visų pirma, aukštos kokybės SiC nanodalelių, turinčių pritaikytą N-dopingo kiekį, augimą būtų galima pasiekti naudojant mažesnį aušinimo greitį. Šios vienalaikės kontrolės priemonės, parodytos 3c paveiksle, suteikia precedento neturinčias galimybes ištirti SiC nanostruktūrų FE funkcijas.

Toliau panagrinėsime, kaip N-dopingo lygis veikia SiC nanodalelių FE savybes. FE matavimams naudojama eksperimentinė sąranka parodyta papildomame S7 paveiksle. Tyrimui pasirinkome pavyzdžius S1, S2-1 ir S3-1 (tai yra su panašiomis aštrių galų struktūromis ir skirtingais N-dopingo lygiais 4, 39, 6, 01 ir 7, 58%). 4a paveiksle parodytas FE srovės tankis ( J ) kaip pritaikyto lauko ( E ) funkcija. J – E kreivės gaunamos kelis kartus šluojant įtampą, kol elektronų emisija tampa stabili. Palyginti lygios ir nuoseklios J – E kreivės reiškia, kad visų trijų mėginių SiC nanodalelės pasižymi puikiu stabilumu lauko sukelto elektronų emisijos metu. Šie nanodalelės yra gana tvirtos, o atlikus FE matavimus morfologijos pokyčių nenustatyta (papildomas S8 paveikslas). Pagal užfiksuotus J – E brėžinius S1, S2-1 ir S3-1 įjungimo laukai yra atitinkamai 1, 38 V μm −1, 1, 22 V μm −1 ir 1, 11 V μm −1 su slenksčio laukais ( E). thr, apibrėžtas kaip elektrinis laukas, reikalingas 1 mA cm − 2 ) srovės tankiui generuoti, atitinkamai, 1, 79 V μm −1, 1, 64 V μm −1 ir 1, 55 V μm −1 (4b paveikslas). Ir E , ir E duomenys rodo, kad padidėjęs N-dopingo kiekis šiek tiek sumažėja. Čia gautos E iki ir E tr vertės yra vienos iš aukščiausių, pateiktų lanksčių šaltųjų katodų, kurių pagrindą sudaro anglies audinio substratai, atveju, kurie parodo puikius dabartinių n tipo SiC nanodalelių FE parametrus. Palyginimui, kitų silicio dioksido nanostruktūromis pagrįstų lauko emiterių, esančių ant kieto pagrindo, eksploataciniai parametrai, taip pat kai kurių tipiškų neorganinių puslaidininkių skleidėjų veikimo parametrai yra parodyti papildomoje S1 lentelėje. Žymus mūsų silicio dioksido nanodalelių efektyvumo padidėjimas gali būti siejamas ir su smailaus paviršiaus morfologija, ir su N-dopingu. Aštrūs antgaliai palengvina vietinio lauko efekto padidėjimą lauko sukeliamoms elektronų emisijoms 26, 34 ir užtikrina, kad ant galiukų nebūtų katalizatoriaus dalelių. 33 Tuo tarpu N-dopingas pagerina emiterių laidumą, todėl yra geresnės FE savybės. 32 N-dopingas skatina lokalių priemaišų susidarymą šalia laidumo juostos krašto ir sumažina darbo funkciją, pagerindamas elektronų FE. 23, 24

Image

a ) S1, S2-1 ir S3-1 mėginių SiC nanodalelės J – E kreivės. b ) S1, S2-1 ir S3-1 pavyzdžių E ir E tr duomenys. c ) S1, S2-1 ir S3-1 pavyzdžių F – N brėžiniai. d ) S1, S2-1 ir S3-1 pavyzdžių skleidžiamo lauko stabilumas.

Visas dydis

Norint geriau suprasti FE elgseną, srovės ir įtampos charakteristikos išreiškiamos Fowlerio – Nordheimo (F – N) lygtimis: 35

Image

arba

Image

kur E yra taikomas elektrinis laukas, A = 1, 54 × 10 –6 eV V – 2, B = 6, 83 × 10 3 eV −3/2 V μm −1, β yra lauko padidinimo koeficientas, o φ yra darbo funkcija. emiterio medžiaga (tai yra 4, 0 eV SiC) 12 . F – N brėžiniai, atitinkantys pavyzdžius S1, S2–1 ir S3–1, gaunami nubrėžus ln (J / E 2 ) palyginti su 1 / E , parodyti 4c paveiksle. F – N brėžinių tiesiniai santykiai rodo, kad elektronų emisija iš SiC emiterių vyksta pagal įprastą FE mechanizmą. Be E iki ir E thr, FE stabilumas yra dar vienas kritiškai svarbus veiksnys, todėl jį reikia atidžiai apsvarstyti lauko skleidėjams. 4d paveiksle parodytas S1, S2-1 ir S3-1 pavyzdžių išmetamųjų teršalų stabilumas, registruojant išmetamųjų teršalų srovę, kai J = 1138 μA cm − 2 kas 3 s 60 minučių. Pažymėtina, kad akivaizdaus išmetamų teršalų degradacijos nepastebėta. Dabartiniai S1, S2-1 ir S3-1 pavyzdžių svyravimai yra ~ 7, 7%, 6, 5% ir 8, 1%, kas rodo labai stabilų sintezuotų n- tipo SiC nanodalelių elektronų išmetimą, palyginamą su aukščiausiais anksčiau praneštais. SiC emiterių rezultatai. 17, 24, 36 Šie rezultatai taip pat pirmą kartą atskleidžia, kad dabartinis lanksčių n tipo SiC lauko emiterių išmetamųjų teršalų stabilumas nėra jautrus N-dopingo lygiui šiame tiriamame diapazone.

5a paveiksle pavaizduotos S3-1 pavyzdžio skaitmeninės nuotraukos įvairiomis lenkimo būsenomis. Mūsų rezultatai atskleidžia didelį SiC nanodalelių lankstumą ant anglies audinio pagrindo. Šie lankstūs spinduoliai įvairiose būsenose gali būti sulenkti daugiau nei 200 kartų be pastebimų konstrukcijos pažeidimų. Norint ištirti lankstaus katodo mechaninį ir elektrinį tvirtumą, buvo ištirtos S3-1 pavyzdžio lanksčių n tipo SiC lauko emiterių, pakartotinio lenkimo ir įvairių lenkimo būsenų, FE savybės, kaip parodyta 5b – h paveiksluose. 5b paveiksle pavaizduoti S3-1 pavyzdžio J – E brėžiniai po 0, 50, 100, 150 ir 200 kartų lenkimo ciklų (lenkimo spindulys: ~ 2 cm), parodantys nežymius E ir E pokyčius. 5c paveiksle pateikiami atitinkami F – N brėžiniai, o tiesiniai ryšiai rodo, kad elektronų emisija lenkiant vis tiek atitinka įprastą FE mechanizmą. Šie rezultatai patvirtina, kad mūsų sintetiniai silicio dioksido lauko skleidėjai yra mechaniškai ir elektriškai tvirti.

Image

a ) Skaitmeninės nuotraukos, kuriose parodytas didelis anglies audinio, išauginto ant anglies audinio, su įvairiais sulenktomis būsenomis (pakabinamas; sulankstytas; sulenktas ~ 1, 2 cm spinduliu; sulenktas ~ 0, 3 cm spinduliu), didelis lankstumas. b ) J – E kreivės ir c ) S3–1 pavyzdžio F – N brėžiniai po 0, 50, 100, 150 ir 200 lenkimo ciklų. ( d - f ) S3-1 pavyzdžio schematinės įgaubtosios, plokščiosios ir išgaubtosios iliustracijos. g ) S3-1 pavyzdžio J – E kreivės įgaubtos, plokščios ir išgaubtos būsenos. h ) S3-1 pavyzdžio išmetamųjų teršalų stabilumas lauke įgaubtoje, plokščioje ir išgaubtoje būsenose.

Visas dydis

Norint išsamiau ištirti lanksčių silicio dioksido lauko emiterių FE charakteristikas, S3-1 FE savybės buvo išmatuotos įgaubtoje, plokščioje ir išgaubtoje būsenose, kurios schematiškai parodytos 5d – f paveiksluose. Tiek įgaubtos, tiek išgaubtos geometrijos lenkimo spindulys buvo fiksuotas ~ 2 cm atstumu. 5g paveiksle pavaizduotos įgaubtos, plokščios ir išgaubtos būsenos J – E kreivės, o pavyzdžio E ir E thr yra atitinkamai 0, 98 ir 1, 39, 1, 11 ir 1, 55, 1, 33 ir 1, 81 V μm –1 . Tiek nuo E iki, tiek su Etr sumažėja monotoniškai įgaubtų, plokščių ir išgaubtų struktūrų tvarka. 5h paveiksle pavaizduotas S3-1 mėginio FE stabilumas esant įvairioms lenkimo būsenoms. Dabartiniai svyravimai yra atitinkamai ~ 8, 9%, 8, 1% ir 7, 1%, atsižvelgiant į įgaubtas, plokščias ir išgaubtas geometrijas. Nebuvo pastebėtas pastebimas išmetamųjų teršalų blogėjimas, reiškiantis puikų sintezuotų lanksčių n tipo SiC lauko emiterių FE stabilumą. Palyginti su įgaubtais ir plokščiais kolegomis, nedidelis E iki ir E trijų sumažėjimas, taip pat padidėjęs silicio dioksido emiterių FE stabilumas išgaubtoje geometrijoje gali būti priskirtas silpnesniam ekrano efektui, kurį sukelia kaimyninių emiterių vietos. 7, 37 Nebuvo rasta jokių akivaizdžių srovės svyravimų pokyčių, kurie rodo, kad pagrindo įtempiai, kuriuos sukelia skirtingos lenkimo būsenos, neturi reikšmingos įtakos išmetamųjų teršalų stabilumui. Šie eksperimentiniai rezultatai patvirtina, kad dabartiniai n tipo SiC nanodaleliai gali būti puikūs kandidatai į tvirtus lauko spinduliuotės įrenginius, pasižyminčius dideliu lankstumu, mažu E ir E trumu bei dideliu stabilumu.

Diskusija

Apibendrinant, mes pirmą kartą pademonstravome kontroliuojamą lanksčių n- tipo SiC nanodalelių augimą pritaikytais N-dopingo lygiais, atlikdami katalizatoriaus atliktą polimerinių pirmtakų pirolizę ant anglies audinio substratų. N2 / Ar dujų mišinio sudėtis ir aušinimo greitis atliekant pirolizės procedūrą kartu daro didelį poveikį augimo morfologijai (arba kūginiai nanodaleliai, arba vienodi nanodaleliai) ir SiC nanostruktūrų cheminei sudėčiai. Esant didžiausiam N dopingo lygiui 7, 58%., Įjungimo laukas yra 1, 11 Vμm −1, o dabartinis išmetamųjų teršalų svyravimas yra 8, 1%, o tai rodo, kad lankstūs n tipo SiC lauko emiteriai pasižymi puikiomis elektronų emisijos savybėmis. Be to, gauti lankstūs SiC lauko spinduliuotės yra mechaniškai ir elektriškai tvirti, kai yra veikiami pakartotinių lenkimo ciklų ir esant įvairioms lenkimo būsenoms, patvirtindami, kad dabartiniai n tipo SiC nanodaleliai yra idealus kandidatas į aukšto našumo lauko spinduliatorius, turinčius precedento neturintį stabilumą. Apskritai šis darbas atveria naujas duris lanksčių lauko emiterių, pasižyminčių puikiomis FE savybėmis, tyrimui, tuo pat metu kontroliuojant 1D puslaidininkių nanostruktūrų morfologijas ir dopingo lygius.

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)