柔性ZnO/TiC异质结复合材料的制备及其场发射应用

《Vacuum》：Fabrication of flexible ZnO/TiC heterojunction composites and their field emission applications

场发射性能优化；ZnO/TiC异质结构；磁控溅射；柔性碳纤维；壳核纳米棒

　　

孙磊|林志豪|王长晓|陈欣|马连|张永爱

福州大学志成学院，福建福州，350002，中国

摘要

场发射技术在真空微电子设备领域具有广泛的应用前景，开发用于高性能场发射电子源的柔性材料具有重要意义。在本研究中，通过磁控溅射技术在柔性碳纤维表面制备了具有壳核结构的ZnO/TiC纳米棒阵列。通过调节碳靶功率（50–80 W），精确控制了TiC薄膜的组成和微观结构。采用XRD、SEM、EDS和XPS等多种表征方法研究了ZnO/TiC复合结构的相组成和形貌。结果表明，碳靶功率对TiC壳层的组成和微观结构有重要影响。当碳靶功率为60 W时，样品表现出最佳的场发射性能，其开启场强较低（约3.6 V/μm），场增强因子较高（约2831），这归因于TiC壳层的高结晶度、良好的导电性，以及ZnO纳米棒均匀的直径、优化的长宽比和垂直取向的协同作用。本研究为壳核纳米材料的表面优化提供了新思路，并为高性能柔性场发射微电子设备的发展奠定了技术基础。

引言

场发射（FE）作为真空微电子设备的核心技术，在平板显示器、电子光源和传感器等领域展现出广阔的应用前景。高效稳定的电子发射材料是实现低开启场强和高电子发射电流密度长寿命设备的关键。氧化锌（ZnO）纳米结构由于其独特的一维几何形状、优异的电子传输性能、良好的化学稳定性和易于调节的表面结构，成为场发射阴极材料的研究热点[[6], [7], [8], [9], [10]]。通过水热法制备的ZnO纳米棒阵列具有良好的取向性、高结晶度和丰富的表面活性位点，但单一材料的导电性和机械稳定性仍有提升空间，这限制了其在高场强环境中的实际应用。

碳化过渡金属TiC因其宽的直接带隙、高的电子亲和能、高导电性和易于制备等优点，在许多光电设备领域持续受到广泛研究[[11], [12], [13], [14]]。近年来，采用化学气相沉积（CVD）[15]、射频磁控溅射[16]、溶胶-凝胶[17]、原子层沉积[18]和电泳沉积[19]等方法制备了TiC薄膜。目前，基于ZnO的复合纳米结构的场发射研究主要集中在碳基材料（如石墨烯[20]、碳纳米管[21]）的复合上，而对碳化过渡金属涂层的改性研究较少。因此，如果将TiC和ZnO结合形成异质结构，有望通过界面协同效应优化电子发射行为。一方面，TiC的高导电性可以降低复合材料的体电阻，促进纳米棒阵列中的电子传输；另一方面，ZnO纳米棒的高长宽比结构与TiC壳层的导电网络相结合，可以有效增强局部电场强度并降低场发射阈值电压。

本文在柔性碳纤维表面生长了ZnO纳米棒阵列，并通过磁控溅射在ZnO纳米棒表面制备了均匀的TiC颗粒，形成“壳核”结构。通过调节碳靶功率（50–80 W）精确调控TiC壳层的组成和微观结构，进而研究其对场发射性能的影响机制。主要目的是探讨磁控溅射工艺参数对ZnO/TiC异质结结构的形貌、相组成和电子发射特性的影响，揭示TiC壳层在增强局部电场和优化电子传输路径中的关键作用。这些结果不仅为ZnO基复合纳米结构的电子发射性能优化提供了新思路，也为高性能柔性场发射阴极材料的发展奠定了实验基础。

实验细节

实验过程

如图1(a)所示，在碳布上生长了用于场发射的ZnO/TiC复合结构纳米棒。图1(b)展示了制备样品的物理图像，体现了其柔韧性。复合材料?制备过程如图1(c)所示，具体细节如下。

形貌和结构表征

在50 W–80 W的碳靶功率范围内，沉积TiC壳层后，ZnO纳米棒的形貌发生显著变化，这主要归因于TiC壳层的组成和结构及其对基底-纳米棒界面相互作用的调节作用。图3(a)显示了在碳纤维上生长的ZnO/TiC壳核结构纳米棒的FESEM图像，纳米棒长度范围为3 μm至5 μm。

结论

本研究通过磁控溅射技术在ZnO纳米棒表面制备了TiC壳层，系统揭示了碳靶功率（50–80 W）对壳核结构的化学计量性质、界面耦合和电子发射性能的调节机制。实验表明，当功率为60 W时，样品的开启场强最低（3.6 V/μm），场增强因子最高（2831）。

作者贡献声明

孙磊：撰写 – 原稿。林志豪：方法学。王长晓：软件处理。陈欣：数据可视化。马连：撰写 – 审稿与编辑。张永爱：概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：61904031）和福建省自然科学基金（项目编号：2024J01281和2024J01835）的支持。