一种提高氧化钨纳米材料薄膜场发射特性的原位等离子体辉光处理方法技术

本发明专利技术提供一种提高氧化钨纳米材料薄膜场发射特性的原位等离子体辉光处理方法。该方法是将氧化钨纳米材料薄膜作为场发射结构的阴极，并放置于高真空测试腔中。首先在场发射结构的阴-栅或阴-阳极之间施加高电压实现场致电子发射，再将重原子质量的气体（例如Ar）和强还原性的气体（例如H2）先后引入到纳米材料薄膜和阳极之间，保持一定的工作气压，再利用高电压形成等离子体辉光放电，在场发射的过程中对氧化钨纳米材料薄膜样品进行原位处理，最终达到提高其场发射特性的目的。该方法具有使用设备简单、处理气体廉价的特点。经过本方法处理后的氧化钨纳米材料薄膜其开启电场和阈值电场变低，场发射址的分布均匀性和亮度分布均匀性获得有效改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是涉及具有重原子质量的惰性气体和具有强还原性气体的等离子原位处理方法。
技术介绍
氧化钨纳米材料是一种有应用潜力的场发射冷阴极材料。要实现阴极应用，材料的低电场发射和均匀性特性实现是关键。大多数的研究者从材料制备角度来解决氧化钨纳米材料的低电场和均匀性场发射特性问题，例如通过控制氧化钨纳米材料的生长形貌(A.Agiral and J.G.E.Gardenier, J.Phys.Chem.C112 (2008) 15183),控制其纳米结构的生长密度(F.Liu et al.,Nanoscale3 (2011) 1850)等。但是上述途径在解决氧化钨纳米材料薄膜场发射均匀性的方面上存在局限。由于影响氧化钨纳米材料场发射特性的因素有很多，如纳米材料的长度和形貌、纳米材料的电导率、纳米材料的物相、纳米材料外部的非晶氧化层厚度等，所以如何改善氧化钨纳米材料的场发射特性目前仍然是一个制约其实际应用的关键问题。尽管目前研究者发展了若干能够有效改善碳纳米管的场发射特性的后处理技术，(X.H.Liang et al., Appl.Phys.Lett.88 (2006) 111501 ；J.G.0k et al., Appl.Phys.Lett.90(2007)033117 ；C.L.Liu, et al.，Carbon47 (2009) 1158.)，但是由于碳纳米管与氧化钨纳米材料具有很大的结构和物性差异，所以这些技术能否适用于氧化钨纳米材料薄膜还无法得到定论，因此开发一种提高氧化钨纳米材料场发射特性的后处理技术，对推进其在冷阴极上应用有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种改善氧化钨纳米材料薄膜场发射特性的后处理方法:原位等离子体辉光处理。本专利技术中原位等离子体辉光处理的基本工作原理是:由于氧化钨纳米材料表面存在不同厚度的非晶氧化层薄膜并且纳米材料也存在不同的高度，因此同一个样品中大量纳米材料的电导或电阻存在很大差异，致使它们无法在相同的电场下进行电子发射，所以其场发射的均匀性不够理想。而本专利技术中Ar气等离子体对于纳米结构表面的非晶氧化层薄层进行减薄处理同时使纳米结构的高度趋于一致，而后面的氏等离子体又将氧化钨表面的非晶氧化层还原为与内部结构相同的单晶结构，最终使得纳米材料的电导性趋于相同，从而在相同的电场下实现场致电子发射，达到有效改善了薄膜场发射均匀性的最终目标。一种有效提高氧化钨纳米材料薄膜场发射特性的原位等离子体辉光处理方法，包括以下步骤:(I)首先在高真空腔中，将氧化钨纳米材料薄膜作为场发射结构的阴极，然后在阴-栅或阴-阳极两极之间施加高电压，使纳米材料薄膜出现场致电子发射，然后保持其电场强度不变，连续处理样品一段时间，以烧毁某些高度较大的纳米线，使整个样品中的纳米线的闻度基本趋于一致；(2) Ar惰性气体等离子体处理:将一定流量的Ar气引入高真空腔中，使真空腔中维持一定的工作气压。在场发射结构两端施加一定的强电场，从而使Ar气在场发射结构的阴阳两极之间形成等离子体辉光放电，然后固定电场强度不变，对场发射过程中的氧化钨纳米材料薄膜进行连续原位处理，利用Ar原子或离子的质量大的特征，轰击其纳米结构表面的氧化层，使其氧化层的厚度迅速减薄并进一步使纳米结构的高度趋于均匀，最后关闭Ar气，再次恢复系统的高真空度；(3) H2还原性气体等离子体处理:将一定流量的H2引入高真空腔中，并让高真空腔的工作气压保持恒定。同样，在场发射结构两端施加一定的强电场，使H2气在场发射器件的阴阳两极之间形成等离子体辉光，然后对场发射过程中的氧化钨纳米材料薄膜进行恒定电场下的连续处理，利用H原子或离子的强还原作用将其表面的非晶氧化层还原为与其内部氧化钨纳米结构相同的单晶结构，然后关闭H2,再将H2抽离高真空腔，重新恢复系统的高真空度；(4)上述Ar和H2原位等离子体处理的循环重复进行若干次，直至原位观察中的样品获得场发射均匀的发射图像。本专利技术不仅适用于氧化钨纳米材料，而且还适用于氧化钥、氧化铁和氧化铜等具有多种价态结构的氧化物纳米材料。本专利技术所述的场发射结构包括场发射二极结构和带栅结构等。本专利技术所述的阳极包括二氧化铟(ITO)导电玻璃，荧光屏或金属片电极等。本专利技术所述的Ar惰性气体等离子体处理技术，通入高真空腔的惰性气体不仅包括Ar气，还包括化学性质稳定，原子质量较大的其它惰性气体，如N2、Kr、Xe和Rn等。本专利技术所述的H2还原性气体等离子体处理技术，通入高真空腔的还原性气体不仅包括H2气，还包括化学性质活泼的其它强还原性气体，如H2S、NH3和B2H6等。本专利技术步骤I中恒压处理时高真空腔的真空度需优于2X 10_4Pa，恒压处理过程中电流密度须比纳米结构能承受最大电流密度低1/4-1/3，恒压处理的时间为0.5-2h。本专利技术步骤I中，恒压大电流处理一段时间，用以去除氧化钨纳米材料薄膜样品上高度较大的纳米结构，从而使整个样品上的纳米线高度趋于均匀。在这一步处理工程中，场发射器件结构中阴极与阳极之间的距离为ΙΟμπι-lcm。经过这一步处理后样品的开启电场和阈值电场会出现降低，均匀性略有改善。本专利技术步骤2中，恒压大电流处理后，向高真空腔中通入惰性气体Ar气，其流量为20sccm-500sccm,此时通过调整气体流量和真空泵的抽速来控制真空腔的气压稳定在5X10_3-3X10_2Pa。此时在阴阳极之间加入电压以产生Ar气的等离子体辉光放电。所施加的电场具体大小以低于纳米材料薄膜所能承受最大电流密度(1/4-1/3)所对应的电场强度为宜，恒定电场处理时间为0.5-2h。辉光处理结束，关闭Ar气，恢复系统真空度。此步骤的目的是通过具有较大原子质量的Ar原子或离子对于氧化钨纳米结构的表面非晶氧化层进行刻蚀剥离。由于氧化钨纳米材料会在空气中形成不同厚度的非晶氧化层，而非晶氧化层厚度的不同会导致同一个样品中不同的氧化钨纳米材料的电导率表现出很大差异，因此非晶氧化层的剥离由于提高氧化钨纳米结构的电导率而降低开启和阈值电场，同时由于氧化层的刻蚀和剥离使得样品中氧化钨纳米结构的电导率趋于一致，所以提高了其场发射的均匀性(包括场发射址的分布均匀性和亮度分布均匀性)。本专利技术步骤3中，Ar气等离子体辉光原位处理结束后，向高真空腔中通入高还原性气体H2气，其流量为20sccm-500sccm，此时同样通过调整气体流量和真空泵的抽速来控制真空腔的气压稳定在5X10_3-3X10_2Pa。此时在阴阳极之间加入电压以产生H2气的等离子体辉光放电，恒定电场处理纳米材料薄膜0.5-2h。所施加的电场采取低于纳米材料薄膜所能承受最大电流密度(1/4-1/3)所对应的电场强度。辉光处理结束，关闭H2气，恢复系统真空度。此步骤的目的是通过具有高还原性的H原子或离子对氧化钨纳米结构表面的非晶氧化层进行处理，使其发生化学还原，变为与纳米结构内部的晶体结构一致的单晶，从而进一步提高纳米结构的电导率，并使样品中纳米线的电导性趋于一致。由于步骤3中Ar气等离子体处理后的氧化钨纳米结构表面的氧化层还有可能存在残留，且仍有部分呈现非晶化，所以此步对于样品的场发射特性的提高十分重要。经过此步处理后，样品的开启电场和阈值电场会进一步提高，同时薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高氧化物纳米材料薄膜场发射特性的原位等离子体辉光处理方法，包括以下步骤：?(1)首先在高真空腔中，将氧化物纳米材料薄膜作为场发射结构的阴极，涂覆荧光粉的荧光屏作为阳极，然后在阴?栅或阴?阳极两极之间施加高电压，使纳米材料薄膜出现场致电子发射，然后保持其电场强度不变，连续处理样品一段时间，以烧毁某些高度较大的纳米线，使整个样品中的纳米线的高度基本趋于一致；?(2)惰性气体等离子体处理：将一定流量的惰性气体引入高真空腔中，使真空腔中维持一定的工作气压，在场发射结构两端施加一定的强电场，从而使惰性气体在场发射结构的阴阳两极之间形成等离子体辉光放电，然后固定电场强度不变，对场发射过程中的氧化物纳米材料薄膜进行连续原位处理，利用惰性气体原子或离子的质量大的特征，轰击其纳米材料表面的氧化层，使其氧化层的厚度迅速减薄并进一步使纳米材料的高度趋于均匀，最后关闭惰性气体，再次恢复系统的高真空度；?(3)化学性质活泼的还原性气体等离子体处理：将一定流量的还原性气体引入高真空腔中，让高真空腔保持一定的工作气压，在场发射结构两端施加一定的强电场，使还原性气体在场发射器件的阴阳两极之间形成等离子体辉光，然后对场发射过程中的氧化物纳米材料薄膜进行恒定电场下的连续处理，利用还原性气体的原子或离子的强还原作用将其表面的非晶氧化层还原为与其内部氧化物纳米结构相同的单晶结构，然后关闭还原性气体，再将还原性气体抽离高真空腔，重新恢复系统的高真空度；?(4)上述惰性气体和还原性气体原位等离子体处理1次或循环重复进行若干次，直至原位观察中的样品获得场发射均匀的发射图像。...

【技术特征摘要】
1.一种提高氧化物纳米材料薄膜场发射特性的原位等离子体辉光处理方法，包括以下步骤:(1)首先在高真空腔中，将氧化物纳米材料薄膜作为场发射结构的阴极，涂覆荧光粉的荧光屏作为阳极，然后在阴-栅或阴-阳极两极之间施加高电压，使纳米材料薄膜出现场致电子发射，然后保持其电场强度不变，连续处理样品一段时间，以烧毁某些高度较大的纳米线，使整个样品中的纳米线的高度基本趋于一致；(2)惰性气体等离子体处理:将一定流量的惰性气体引入高真空腔中，使真空腔中维持一定的工作气压，在场发射结构两端施加一定的强电场，从而使惰性气体在场发射结构的阴阳两极之间形成等离子体辉光放电，然后固定电场强度不变，对场发射过程中的氧化物纳米材料薄膜进行连续原位处理，利用惰性气体原子或离子的质量大的特征，轰击其纳米材料表面的氧化层，使其氧化层的厚度迅速减薄并进一步使纳米材料的高度趋于均匀，最后关闭惰性气体，再次恢复系统的高真空度；(3)化学性质活泼的还原性气体等离子体处理:将一定流量的还原性气体引入高真空腔中，让高真空腔保持一定的工作气压，在场发射结构两端施加一定的强电场，使还原性气体在场发射器件的阴阳两极之间形成等离子体辉光，然后对场发射过程中的氧化物纳米材料薄膜进行恒定电场下的连续处理，利用还原性气体的原子或离子的强还原作用将其表面的非晶氧化层还原为与其内部氧化物纳米结构相同的单晶结构，然后关闭还原性气体，再将还原性气体抽离高真空腔，重新恢复系统的高真空度；(4)上述惰性气体和还原性气体原位等离子体处理I次或循环重复进行若干次，直至原位观察中的样品获得场发射均匀的发射图像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述氧化物纳米材料包括氧化钨纳米材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，许宁生，莫富尧，郭同义，邓少芝，陈军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：