CN104528668B - 一种AlxGa1-xN纳米线阵列及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料制备技术领域，公开了一种可作为柔性场发射阴极材料的AlxGa1-xN纳米线阵列及其制法与应用。所述制备方法为：采用化学气相沉积法，以碳布为柔性衬底，AlCl3为铝源，GaCl3为镓源，与氨气反应，生成AlxGa1-xN纳米线阵列。所得AlxGa1-xN纳米线阵列的形貌为准定向纳米线阵列，可应用于场发射显示技术领域。所述制备方法选用碳布作为衬底，具有优异的柔韧性和导电性；且可通过改变AlCl3和GaCl3的蒸发温度调变蒸气分压，实现AlxGa1-xN纳米线阵列的组分调变。所述AlxGa1-xN纳米线阵列密度均一，长度统一，具有大的长径比和适中的密度，在场发射中有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种可调组分的AlxGa1-xN纳米线阵列及其制备方法与应用。
背景技术
随着纳米科学与技术的发展，光电子器件逐渐向轻量化、微型化、集成化、可弯曲以及可穿戴的方向迈进，使得柔性光电子器件在可折叠显示器、电池、电容器、传感器、电子纸、可穿戴电子织物以及建筑物表面的大型弯曲显示等领域具有广泛的应用前景。因而，以半导体纳米材料为结构单元在可折叠弯曲、导热性和导电性优异的衬底上构建功能柔性系统，同时能满足柔性系统的轻量化、低成本、便携性的要求，是当前国内外的前沿研究课题。自从1991年日本碳化学家饭岛(S.Iijima)发现碳纳米管以来，人们对低维纳米材料的电学、光学、磁学、热学和力学性能与维度和量子限制效应相关性等方面进行了广泛而深入的研究。而低维合金纳米材料的组分和结构的可控合成一直是纳米技术发展过程中的一大挑战，在柔性衬底上制备低维合金纳米材料是合成过程中面临的一个更大的难题。实现在柔性衬底上对低维合金纳米材料的组分和结构的可调控，将能实现对低维合金纳米材料和结构的物理和化学性能的微观调控，从而为柔性纳米器件的成功制备提供重要的材料基础。
到目前为止，已经有大量的研究工作集中在柔性光电子领域，而柔性衬底的选择至关重要。柔性衬底主要分为两类：有机和无机。对于无机半导体纳米材料而言，材料的制备和器件的应用要求柔性衬底耐高温、寿命长、导电性好，所以基于无机纳米材料的柔性光电子器件的应用经常选用无机柔性衬底中的碳布为衬底。相较于有机衬底的易老化、熔点低、化学稳定性差、导电性差的缺点，碳布具有良好的机械强度、耐高温、导电性好的优点，从而越来越多的被应用于柔性电容器、锂离子电池、传感器、以及场发射显示等领域。
场致电子发射(场发射)是众多低维半导体材料所特有的电学特性之一。大量研究结果表明，大的长径比、适中的密度的纳米结构具有传统薄膜或块体材料不具备的优异场发射特性，在发光显示等光电子器件领域有着广泛的应用前景。同时，具有优异导电性的衬底可以为冷阴极材料提供大量的电子源，为场发射性能的改进提供了可能。然而，要想获得理想的、应用化的基于低维纳米结构的场发射阴极材料，其性能还需更进一步的改善和提高，比如获得更低的开启和阈值电场等。
Ⅲ族氮化物(AlN,GaN,InN及其多元合金)是继第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料之后迅速发展起来的第三代半导体材料。Ⅲ族氮化物因其宽带隙(0.7-6.2eV)和优异的理化性质(如高熔点、高化学稳定性、高热导率、高击穿电场、低热膨胀系数、大压电系数等)，在高温大功率的电子器件和光电子器件(发光二极管、激光二极管、以及场效应晶体管)领域有着广泛的应用。同时，由于氮化物具有低的电子亲和势和功函数，它们也可能具有优异的场发射性能，可用于场发射显示和X射线源。众所周知，功能器件选择的半导体的必然趋势就是朝着多元化、合金化和低维化的方向发展,因而研究氮化物半导体材料在多元化和合金化过程中性质变化的规律非常重要。近年来，由A1N和GaN组成的直接带隙A1xGa1-xN三元合金半导体纳米材料越来越受到科研工作者的关注，主要是因为室温下其带宽可在3.4～6.2eV范围内连续调变，其电子亲和势也可在0.6-2.7eV之间连续可调，是制作紫外发光器件(LED发光二极管和LD激光器)和场发射器件的理想材料。然而，低维A1xGa1-xN纳米结构的合成经历了漫长的探索，如HVPE、MOCVD和MBE等，高质量纳米结构的生长和组分的调控、以及场发射性能的改进仍然是一个充满挑战性的课题。
到目前为止，已有研究工作主要集中在基于硬性衬底上(Si和蓝宝石等)的A1xGa1-xN纳米结构的制备、组分调控及其性能研究。但是，对其场发射性能的研究鲜有报道，其中有一篇关于A1xGa1-xN纳米锥场发射性能的报道，随着组分的变化，它的开启和阈值电场分别在7.35-16.5V/μm和13.89-30V/μm之间变化(开启和阈值电场的定义为当电流密度达到10μA/cm2和1mA/cm2时所需的电场)。另一篇关于混合相AlxGa1-xN(0＜x≤0.95)纳米薄膜的报道，开启电场(定义为1μA/cm2)为1.2V/μm。所以，A1xGa1-xN低维纳米材料具有优良的电子发射特性，可以作为场发射阴极材料的优异候选材料。然而，顺应轻型化、可折叠化氮化物光电子器件发展要求的柔性氮化物场发射阴极材料的研发还没有报道。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种在柔性衬底上制备可调变组分的AlxGa1-xN纳米线阵列的方法；所述方法操作工艺简单、成本低、无催化剂且对环境友好；
本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的AlxGa1-xN纳米线阵列；所述AlxGa1-xN纳米线阵列结晶性好、产量高、纯度高、场发射性能好；
本发明的再一目的在于提供上述AlxGa1-xN纳米线阵列的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法，包括如下步骤：采用化学气相沉积法，以碳布为柔性衬底，AlCl3为铝源，GaCl3为镓源，与氮源氨气反应，生成AlxGa1-xN纳米线阵列；
优选的，所述碳布为不含有催化剂及种子层的碳布；
优选的，所述铝源与所述镓源的质量比为1:1；
优选的，AlCl3的质量纯度为99.999％，GaCl3的质量纯度为99.999％，氮源氨气的体积纯度为99.999％；
优选的，所述化学气相沉积法是在四温区水平管式炉中进行，选用靠近出气端的三段温区按照气流方向设定为镓源温区、铝源温区以及沉积区，依次放置镓源、铝源及柔性衬底；
优选的，所述AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法包括以下步骤：
(1)选择碳布为柔性衬底，洗净烘干备用；
(2)将铝源和镓源分别放置在两个石英舟中；
(3)将步骤(2)装有源料的两个石英舟和步骤(1)所得碳布置于石英管内，将石英管推入管式炉中，使两个石英舟和碳布分别位于相邻三个温区，抽真空并通入氩气清洗炉管；
(4)控制各温区炉温，先将碳布所在温区升温至预热温度，再加热铝源和镓源所在温区，使碳布、铝源和镓源所在温区同时达到各自的预设温度，并通入氩气和氨气，保温进行沉积反应，沉积完毕后随炉冷却至室温，制得所述AlxGa1-xN纳米线阵列。
优选的，步骤(1)所述洗净烘干备用的具体操作为：将碳布在酒精溶液中浸渍10～20分钟，随后用去离子水冲洗3～5次，最后在100～120℃的烘箱中保温1～2小时烘干备用；
优选的，步骤(4)所述预热温度为550℃；
优选的，步骤(4)碳布所在温区的预设温度为850℃；步骤(4)铝源所在温区的预设温度为220～280℃；步骤(4)镓源所在温区的预设温度为140～180℃；
优选的，步骤(4)氩气的流量为200mL/min，氮源的流量为30mL/min；
优选的，步骤(4)所述氩气和氨气从石英管靠近源料的一端分别从两个独立分开的气路通入，氨气直接输送到柔性衬底所在的沉积区，氩气出口设置在石英管最前端，铝源和镓源的蒸气由氩气带到沉积区；
优选的，步骤(4)所述保温进行沉积反应的时间为90～120min；沉积反应时间的长度影响纳米材料的长度及其结晶性；
在步骤(4)中，通过分别改变铝源和镓源所在温区的预设温度，从而调变铝源和镓源的蒸气分压，可以在碳布上得到不同组分、单一晶相的AlxGa1-xN纳米线。
根据上述制备方法得到AlxGa1-xN纳米线阵列；所述AlxGa1-xN纳米线阵列的形貌为准定向纳米线阵列。
所述AlxGa1-xN纳米线阵列应用于可折叠光电子器件的领域；
优选的，所述AlxGa1-xN纳米线阵列应用于场发射显示技术领域；更优选的，所述AlxGa1-xN纳米线阵列作为场发射阴极材料应用于场发射显示技术领域。
本发明的原理：
本发明利用化学气相沉积法，以碳布为柔性衬底，实现了碳布上不同组分单一晶相A1xGa1-xN纳米线阵列的制备；同时，场发射测试结果表明，所制备的A1xGa1-xNA1xGa1-xN纳米线阵列作为柔性场发射阴极材料具有优异的场发射性能，其开启和阈值电场分别为1.7～2.3V/μm和2.2～3.2V/μm，相较于现有的A1xGa1-xN半导体材料的场发射性能有了显著的提高，是因为碳布优异的导电性提供了大量的电子源，碳布的织网状结构以及碳纤维的圆柱状结构有效的减小了场发射的屏蔽效应。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明所述制备方法选用碳布作为衬底，相比传统硬质衬底，具有更优异的柔韧性和导电性，有利于在柔性光电子器件中的应用。
(2)本发明以蒸发温度低的氯化物为反应前驱物，选用四温区水平管式炉分别调控前驱物的蒸发温度，并用两路气管来分别输送反应气体氨气和载流气体氩气，从而使生长条件匹配而制得单晶的AlxGa1-xN纳米线结构。
(3)本发明所述制备方法可通过改变前驱物AlCl3和GaCl3的蒸发温度来调变AlCl3和GaCl3的蒸气分压，可以成功地实现AlxGa1-xN纳米线阵列的组分调变。
(4)本发明所制得的AlxGa1-xN纳米线阵列密度均一，长度统一，尺寸在800nm左右。由于其具有大的长径比和适中的密度，在场发射中有潜在的应用价值。
(5)本发明所制得的AlxGa1-xN纳米线阵列具有优异的场发射性能，随着Al含量从0.73到0.14的变化，其开启电场从2.3V/μm降低到1.7V/μm，阈值电场从3.2V/μm减小到2.2V/μm。与硬质衬底上的三元氮化物纳米结构的场发射性能相比(如南京大学在Si衬底上制备得到的AlxGa1-xN纳米锥阵列的开启和阈值电场分别在7.35-16.5V/μm和13.89-30V/μm，北京工业大学在Si和金属衬底上制备得到的混合相的AlxGa1-xN纳米薄膜的开启电场(定义为1μA/cm2)为1.2V/μm)，本发明所制得的AlxGa1-xN纳米线作为低维AlxGa1-xN柔性场发射阴极材料的场发射性能有了大大的提高，可拓展应用于柔性场发射器件的研制。
(6)本发明提供的方法可以拓展到其它二元或多元组分氮化物纳米材料或其它柔性衬底。根据实验要求选择合适的前驱物和温度，利用类似的方法在不同柔性衬底上合成其它二元或多元组分氮化物一维纳米材料。
(7)本发明所提供的制备方法操作简单、制备时间短、成本低、无催化剂、无污染，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明所述AlxGa1-xN纳米线阵列制备所用装置的示意图；
图2为本发明实施例1制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的低倍SEM图，内插图为AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线样品弯曲后的外形图；
图3为本发明实施例1制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的高倍SEM图；
图4为本发明实施例1制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的XRD图；
图5为本发明实施例1制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的EDS图；
图6本发明实施例1单根的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的低倍TEM图；
图7本发明实施例1单根的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的高倍TEM(HRTEM)图；
图8本发明实施例1单根的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的SAED图；
图9中(a)为本发明实施例1单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图，(b)为本发明实施例1单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线沿轴向的元素线分布图，(c)为本发明实施例1单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线沿径向的元素线分布图；
图10为本发明实施例2制得的AlxGa1-xN(x＝0.73)纳米线阵列的高倍SEM图；
图11为本发明实施例2制得的AlxGa1-xN(x＝0.73)纳米线阵列的EDS图；
图12为本发明实施例3制得的AlxGa1-xN(x＝0.14)纳米线阵列的高倍SEM图；
图13为本发明实施例3制得的AlxGa1-xN(x＝0.14)纳米线阵列的EDS图；
图14为对比例中在Si片上制得的AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线阵列的高倍SEM图；
图15为本发明实施例1～3与对比例制得的AlxGa1-xN纳米线阵列的场发射性能图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种AlxGa1-xN纳米线阵列，采用化学气相沉积法，以碳布为柔性衬底，AlCl3为铝源，GaCl3为镓源，与氮源氨气反应，制备而成。其制备是在四温区水平管式炉中进行，装置示意图如图1所示，具体包括如下制备步骤：
(1)选择不含有催化剂及种子层的碳布，碳布大小为1cm×4cm，将碳布在酒精溶液中浸渍10分钟，随后用去离子水冲洗3次，最后在100℃的烘箱中保温1小时烘干备用；
(2)将0.4克AlCl3与0.4克GaCl3分别放置在两个石英舟中；
(3)四温区水平管式炉以靠近出气端的三段温区按照气流方向依次设定为第一温区、镓源温区、铝源温区以及沉积区；将装有GaCl3的石英舟放置于镓源温区，将装有AlCl3的石英舟放置于铝源温区，将碳布放置于沉积区；在加热升温前先用机械泵反复多次抽真空并用Ar气冲洗，以除去反应装置中残余的氧气和水；在200mL/min的Ar气保护下以15℃/min的升温速率将沉积区升温至550℃，此时通入30mL/min的NH3，镓源温区、铝源温区也开始加热，铝源温区的目标温度为280℃，镓源温区的目标温度为180℃，沉积区的目标温度为850℃，三个温区同时升至设定目标温度值；AlCl3蒸气和GaCl3蒸气被Ar气输送到沉积区与反应气体NH3反应，反应时间为2小时，在碳布上得到大面积准定向生长的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列，反应结束后在Ar气保护下冷却至室温。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的低倍SEM图如图2所示，从图2可以看出制备得到了大面积的纳米结构；图2左下角插图为在碳布衬底上制备的AlxGa1-xN纳米结构承受大弯曲变形后的形状，表明其具有良好的柔韧性。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的高倍SEM图如图3所示，由图3可以看出所得AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线样品为表面光洁、六方平顶的六棱柱结构，其顶端直径约为80nm，长度为800nm。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的XRD图以及AlN和GaN标准卡片图如图4所示，图4表明制备得到是单一晶相的六方纤锌矿结构，沿c轴方向择优生长。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列的EDS图如图5所示，从图5可以看出制备得到的AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线阵列样品主要含有Al、Ga、N三种元素，可以确定Al的含量是0.32，少量的O来自于样品表面在存贮及测试过程中被氧化，Cl来自于样品在冷却过程中的残余Cl元素。
制得的单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的低倍TEM图如图6所示，单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的高倍TEM(HRTEM)图如图7所示，单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的SAED图如图8所示；单根AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线的高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图如图9中(a)所示，AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线沿轴向的元素线分布图如图9中(b)所示，AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线沿径向的元素线分布图如图9中(c)所示。图6～9所示为AlxGa1-xN(x＝0.32)纳米线样品的晶体结构和元素分析图，进一步表明制备得到的样品是组分均匀、单一晶相、沿c轴方向择优生长的六方纤锌矿结构的AlxGa1-xN纳米线。
实施例2
一种AlxGa1-xN纳米线阵列，采用与实施例1相同的装置进行制备，具体包括如下制备步骤：
(1)选择不含有催化剂及种子层的碳布，碳布大小为1cm×4cm，将碳布在酒精溶液中浸渍10分钟，随后用去离子水冲洗3次，最后在100℃的烘箱中保温1小时烘干备用；
(2)将0.4克AlCl3与0.4克GaCl3分别放置在两个石英舟中；
(3)四温区水平管式炉以靠近出气端的三段温区按照气流方向依次设定为第一温区、镓源温区、铝源温区以及沉积区；将装有GaCl3的石英舟放置于镓源温区，将装有AlCl3的石英舟放置于铝源温区，将碳布放置于沉积区；在加热升温前先用机械泵反复多次抽真空并用Ar气冲洗，以除去反应装置中残余的氧气和水；在200mL/min的Ar气保护下以15℃/min的升温速率将沉积区升温至550℃，此时通入30mL/min的NH3，镓源温区、铝源温区也开始加热，铝源温区的目标温度为280℃，镓源温区的目标温度为140℃，沉积区的目标温度为850℃，三个温区同时升至设定目标温度值；AlCl3蒸气和GaCl3蒸气被Ar气输送到沉积区与反应气体NH3反应，反应时间为2小时，在碳布上得到大面积准定向生长的AlxGa1-xN(x＝0.73)纳米线阵列，反应结束后在Ar气保护下冷却至室温。
本实施例主要通过改变源材料AlCl3和GaCl3的蒸发温度来调控AlCl3和GaCl3的蒸气分压，从而实现单一晶相AlxGa1-xN准定向纳米线阵列的制备及其组分的调变。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.73)纳米线阵列的高倍SEM图如图10所示，从图10中可以看出制备得到了分布均匀的AlxGa1-xN纳米线阵列。
制得的AlxGa1-xN纳米线阵列的EDS图如图11所示，从图11可以看出制备得到的AlxGa1-xN纳米线阵列样品主要含有Al、Ga、N三种元素，可以确定Al的含量是0.73，同时表明通过调变AlCl3和GaCl3的蒸发温度，可以实现不同组分AlxGa1-xN(x＝0.73)纳米线阵列的制备。
实施例3
一种AlxGa1-xN纳米线阵列，采用与实施例1相同的装置进行制备，具体包括如下制备步骤：
(1)选择不含有催化剂及种子层的碳布，碳布大小为1cm×4cm，将碳布在酒精溶液中浸渍10分钟，随后用去离子水冲洗3次，最后在100℃的烘箱中保温1小时烘干备用；
(2)将0.4克AlCl3与0.4克GaCl3分别放置在两个石英舟中；
(3)四温区水平管式炉以靠近出气端的三段温区按照气流方向依次设定为第一温区、镓源温区、铝源温区以及沉积区；将装有GaCl3的石英舟放置于镓源温区，将装有AlCl3的石英舟放置于铝源温区，将碳布放置于沉积区；在加热升温前先用机械泵反复多次抽真空并用Ar气冲洗，以除去反应装置中残余的氧气和水；在200mL/min的Ar气保护下以15℃/min的升温速率将沉积区升温至550℃，此时通入30mL/min的NH3，镓源温区、铝源温区也开始加热，铝源温区的目标温度为220℃，镓源温区的目标温度为180℃，沉积区的目标温度为850℃，三个温区同时升至设定目标温度值；AlCl3蒸气和GaCl3蒸气被Ar气输送到沉积区与反应气体NH3反应，反应时间为2小时，在碳布上得到大面积准定向生长的AlxGa1-xN(x＝0.14)纳米线阵列，反应结束后在Ar气保护下冷却至室温。
本实施例主要通过进一步改变源材料AlCl3和GaCl3的蒸发温度来调控AlCl3和GaCl3的蒸气分压，从而实现单一晶相AlxGa1-xN准定向纳米线阵列的制备及其组分的调变。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.14)纳米线阵列的高倍SEM图如图12所示，从图12中可以看出制备得到了分布均匀、圆柱状的AlxGa1-xN纳米线阵列。
制得的AlxGa1-xN纳米线阵列的EDS图如图13所示，从图13可以看出制备得到的AlxGa1-xN纳米线阵列样品主要含有Al、Ga、N三种元素，可以确定Al的含量约为0.14，进一步表明通过调变AlCl3和GaCl3的蒸发温度，可以实现不同组分AlxGa1-xN(x＝0.14)纳米线阵列的制备。
对比例
一种硅基衬底的AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线阵列，采用与实施例1相同的装置进行制备，具体包括如下制备步骤：
(1)选择(100)取向的硅(Si)片为衬底，将硅片在酒精溶液中浸渍10分钟，随后用去离子水冲洗3次，最后在100℃的烘箱中保温1小时烘干备用；
(2)将0.4克AlCl3与0.4克GaCl3分别放置在两个石英舟中；
(3)四温区水平管式炉以靠近出气端的三段温区按照气流方向依次设定为第一温区、镓源温区、铝源温区以及沉积区；将装有GaCl3的石英舟放置于镓源温区，将装有AlCl3的石英舟放置于铝源温区，将硅片放置于沉积区；在加热升温前先用机械泵反复多次抽真空并用Ar气冲洗，以除去反应装置中残余的氧气和水；在200mL/min的Ar气保护下以15℃/min的升温速率将沉积区升温至550℃，此时通入20mL/min的NH3，镓源温区、铝源温区也开始加热，铝源温区的目标温度为280℃，镓源温区的目标温度为140℃，沉积区的目标温度为850℃，三个温区同时升至设定目标温度值；AlCl3蒸气和GaCl3蒸气被Ar气输送到沉积区与反应气体NH3反应，反应时间为2小时，在硅片上得到大面积准定向生长的AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线阵列，反应结束后在Ar气保护下冷却至室温。
制得的AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线阵列的高倍SEM图如图14所示，从图14中可以看出制备得到了分布均匀、直径逐渐收缩的AlxGa1-xN纳米线阵列。
场发射性能测试：
将实施例1～3及对比例制得的AlxGa1-xN纳米线阵列作为场发射阴极材料进行场发射性能测试。阴极为AlxGa1-xN纳米线阵列，阳极为ITO导电玻璃，场发射测试仪器的真空度为3.0×10-5Pa，场发射测试是在室温下进行，阴、阳极距离设置为400μm，电压-电流曲线由Keithley248电压表提供电压和Keithley6485电流表收集电流测得的。所得场发射性能图如图15所示，具体开启电场(Eto)和阈值电场(Ethr)测量结果如表1所示。
表1.场发射性能测试开启电场(Eto)和阈值电场(Ethr)测量结果
由图15和表1可以看出：采用本发明所述方法在柔性衬底上得到的AlxGa1-xN纳米线阵列的Al含量为0.14、0.32及0.73时，其开启电场(Eto)依次为1.7V/μm、2.1V/μm及2.3V/μm，阈值电场(Ethr)依次为2.2V/μm、2.9V/μm及3.2V/μm,远远低于AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线在硬质硅片上的开启电场4.6V/μm，而在Si片上的AlxGa1-xN(x＝0.72)纳米线的阈值电场要远远高于6V/μm。由此表明，采用本发明方法制得的柔性衬底上的AlxGa1-xN纳米线阵列作为场发射阴极材料具有优异的场发射性能(当开启电场小于27V/μm时即可商业应用)，同时表明柔性衬底和Al的含量对AlxGa1-xN纳米线阵列作为柔性场发射阴极材料的场发射性能有着明显的影响。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：采用化学气相沉积法，以碳布为柔性衬底，AlCl3为铝源，GaCl3为镓源，与氮源氨气反应，生成AlxGa1-xN纳米线阵列；
所述化学气相沉积法是在四温区水平管式炉中进行，选用靠近出气端的三段温区按照气流方向设定为镓源温区、铝源温区以及沉积区，依次放置镓源、铝源及柔性衬底；
所述AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法具体包括以下步骤：
(1)选择碳布为柔性衬底，洗净烘干备用；
(2)将铝源和镓源分别放置在两个石英舟中；
(3)将步骤(2)装有源料的两个石英舟和步骤(1)所得碳布置于石英管内，将石英管推入管式炉中，使两个石英舟和碳布分别位于相邻三个温区，抽真空并通入氩气清洗炉管；
(4)控制各温区炉温，先将碳布所在温区升温至预热温度，再加热铝源和镓源所在温区，使碳布、铝源和镓源所在温区同时达到各自的预设温度，并通入氩气和氨气，保温进行沉积反应，沉积完毕后随炉冷却至室温，制得所述AlxGa1-xN纳米线阵列；
步骤(4)所述预热温度为550℃；步骤(4)碳布所在温区的预设温度为850℃；步骤(4)铝源所在温区的预设温度为220～280℃；步骤(4)镓源所在温区的预设温度为140～180℃；步骤(4)所述保温进行沉积反应的时间为90～120min；
步骤(4)所述氩气和氨气从石英管靠近源料的一端分别从两个独立分开的气路通入，氨气直接输送到柔性衬底所在的沉积区，氩气出口设置在石英管最前端，铝源和镓源的蒸气由氩气带到沉积区。
2.根据权利要求1所述的AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述铝源与所述镓源的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述碳布为不含有催化剂及种子层的碳布；所述AlCl3的质量纯度为99.999％；所述GaCl3的质量纯度为99.999％；所述氨气的体积纯度为99.999％。
4.一种根据权利要求1～3任一项所述的AlxGa1-xN纳米线阵列的制备方法得到的AlxGa1-xN纳米线阵列。
5.根据权利要求4所述的AlxGa1-xN纳米线阵列在场发射显示技术领域的应用。
6.根据权利要求5所述的AlxGa1-xN纳米线阵列的应用，其特征在于：所述AlxGa1-xN纳米线阵列作为场发射阴极材料应用于场发射显示技术领域。
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