采用原子层沉积技术涂覆了二氧化硅（2O?）薄膜的ZnO纳米线的外场发射现象

《Vacuum》：Field Emission from ZnO Nanowires with Atomic Layer Deposition Coated In 2O 3 Thin Films

本研究采用原子层沉积法在ZnO纳米线表面制备氧化铟锡薄膜，系统研究薄膜厚度对纳米线场发射性能的影响。实验表明，经In?O?涂层处理的ZnO纳米线在最大场发射电流（提升50%）、阈值场（降低12.8%）及电流稳定性（提升5.6%）方面显著优化，揭示了低功函数与增强电导率的协同效应。该成果为高亮度平板X射线源等真空微电子器件提供了新方案。

　　

曹浩深|张志鹏|奥列格·尤金尼科维奇·波波夫|谢尔盖·弗拉基米罗维奇·菲利波夫|阿纳托利·G·科洛斯科|陈一聪|吴建婷|刘川|詹润泽|邓绍志|陈俊

广东省光电材料与技术国家重点实验室，中山大学电子与信息技术学院显示材料与技术重点实验室，中国广州市510275

摘要

氧化锌（ZnO）纳米线由于其独特的电子和结构特性，在真空微电子设备中具有重要意义。然而，调节其场发射性能仍然具有挑战性。本研究系统地研究了通过原子层沉积法制备的氧化铟（In₂O₃）薄膜涂层的ZnO纳米线的形态、结构和场发射特性。涂有In₂O₃的样品表现出显著增强的最大电流，这可以归因于场发射体的电导率提高。开启场强的变化通过In₂O₃涂层ZnO场发射体的功函数降低和场穿透深度改变之间的相互作用来解释，涉及场诱导的热电子发射机制。此外，场发射电流稳定性的提高与高导电性In₂O₃薄膜的热平衡优化有关。在沉积In₂O₃薄膜后，ZnO纳米线的最大场发射电流增加了约50%，开启场强降低了12.8%，场发射电流的波动减少了5.6%。这些发现突显了In₂O₃涂层有效调节ZnO纳米线场发射特性的潜力，为高性能真空微电子设备的发展提供了新的途径。

引言

氧化锌（ZnO）纳米线作为一种有前景的冷阴极场发射材料，具有低开启电压、高稳定性和高均匀性，并且能够实现大面积阵列制备。这些特性使ZnO纳米线适用于各种真空微电子设备，如场发射显示器（1）、（2）、平板X射线源（3）、（4）、（5）、（6）和平板探测器（7）、（8）、（9）。然而，在冷阴极X射线源等应用中，ZnO纳米线所能实现的最大电流密度仍不足以满足高性能设备的要求。高功率高亮度平板X射线源所需的最大电流密度将超过10 mA/cm²。然而，报道的二极管平板X射线源中ZnO纳米线冷阴极的电流密度低于1 mA/cm²，主要受到功函数和低导电性的限制[5]。

先前的研究探索了多种提高ZnO纳米线场发射电流的方法，包括形态调控[10]、元素掺杂（11）、（12）、（13）、（14）以及薄膜涂层（15）、（16）、（17）、（18）。形态调控和元素掺杂主要通过提高场增强因子或降低功函数来改善场发射特性。然而，这些方法通常涉及复杂的制备过程且可控性较差。相比之下，薄膜涂层被证明是改善ZnO纳米线场发射性能的最有效方法，因为它具有简单的制备过程和稳定的结构。例如，廖立等人成功制备了涂有非晶碳和碳氮化物薄膜的ZnO纳米线，有效降低了功函数并提高了导电性，从而降低了开启场强并提高了发射电流[16]。因此，选择合适的涂层材料对于提高ZnO纳米线的场发射特性至关重要。

沉积化学稳定性高、导电性强且功函数低的涂层（如氧化铟（In₂O₃）可以显著提高发射电流并降低冷阴极场发射体的开启场强[19]。例如，李等人通过在单壁碳纳米管上沉积In₂O₃薄膜，报告了更高的最大电流和更低的开启场强[20]。这些发现表明，In₂O₃的低功函数和高电导率在减轻ZnO纳米线因焦耳加热而烧毁方面具有巨大潜力。然而，传统的沉积方法（如磁控溅射和化学气相沉积）通常会产生相对较厚的薄膜，从而对场增强因子产生显著影响。相比之下，原子层沉积（ALD）能够精确控制纳米级薄膜的生长，从而最小化对场增强因子的不利影响。例如，黄俊梅等人在ZnO纳米线上沉积了掺铝的ZnO薄膜，并观察到场增强因子几乎没有变化，而场发射性能显著提高[21]。此外，李晓荣等人利用ALD在ZnO纳米线上涂覆了超薄TiN薄膜，并评估了涂覆纳米线的场发射性能[22]。他们的发现显示最大场发射电流显著增加，这归因于TiN的优异热导率、电导率和较高的熔点（22）、（23）。尽管如此，涂有In₂O₃薄膜的ZnO纳米线的场发射机制仍需进一步阐明。

在本研究中，使用ALD方法在ZnO纳米线表面沉积了不同厚度的In₂O₃薄膜。分析了In₂O₃涂层后的ZnO纳米线的结构特性，以及相应的场发射特性，包括开启场强、最大场发射电流和场发射稳定性。结果强调了ALD沉积的In₂O₃薄膜作为优化ZnO纳米线场发射特性的有效策略的潜力，从而扩大了其在各种电子设备和场发射应用中的适用性。

实验部分

ZnO纳米线是通过热氧化过程合成的[24]。硅基底（1厘米×1厘米）依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，以去除有机残留物和颗粒杂质。每个基底周围用胶带标出1毫米的边界，以界定沉积区域。通过电子束蒸发以0.6纳米/秒的速率在暴露的基底区域沉积了2微米厚的Zn薄膜，同时进行离子处理

结果与讨论

图2展示了通过ALD制备的不同厚度In₂O₃薄膜涂层的ZnO纳米线的形态特性。图2(a)显示了原始生长的ZnO纳米线的顶视图扫描电子显微镜（SEM）图像，这些纳米线在基底上均匀分布。图2(b)显示了低放大倍率下的ZnO纳米线的横截面SEM图像。横截面视图显示纳米线的长度约为4～5微米

结论

在本研究中，我们全面考察了通过ALD制备的涂有In₂O₃薄膜的ZnO纳米线的场发射特性。沉积In₂O₃薄膜后，ZnO纳米线的最大场发射电流增加了约50%，开启场强降低了12.8%，场发射电流的波动减少了5.6%。研究结果表明，In₂O₃涂层的应用显著提高了场发射性能

CRediT作者贡献声明

刘川：概念构思。吴建婷：研究。陈一聪：研究。阿纳托利·G·科洛斯科：研究。谢尔盖·弗拉基米罗维奇·菲利波夫：方法学，研究。张志鹏：撰写——初稿，研究，资金获取。曹浩深：撰写——初稿，方法学，研究。陈俊：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。邓绍志：概念构思。詹润泽：研究

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者H.C.、Z.Z.、Y.C.、J.W.、C.L.、R.Z.和J.C.感谢国家自然科学基金（资助编号：62271512）、国家重点研发计划（资助编号：2022YFA1204200）、广东省自然科学基金（资助编号：2024A1515012852）以及中央高校基本科研业务费的支持。作者E.P.、S.F.和A.K.在项目编号FFUG-2024-0031的框架内完成了这项工作。