金屬有機配合物M-TCNQ微納米結構的制備及電學性能研究.pdf

1、納米材料在納米電子學、光子學、磁器件等方面有著廣闊的應用空間。自從Iiiima發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，各種新穎的一維納米材料如納米線、納米棒、納米帶和納米同軸電纜等相繼被發(fā)現(xiàn)，其中納米線和納米管是納米尺度材料科學的前沿，它們最有意義的應用是在納米電子學領域。納米線既可以用作功能單元，也可以作為導電溝道，是研究電輸運的良好模型體系；對納米線電學性質的研究是實現(xiàn)納米電子器件的基礎。所以納米電子學最近受到了全球范圍的關注和快速發(fā)展。 目前，

2、碳納米管在場發(fā)射顯示方面的研究獲得了極大的進展，但走向實用化還是遭遇了難以克服的困境，主要由于半導體和金屬性的碳納米管共存且技術上很難實現(xiàn)分離。另外，碳納米管制備時的溫度較高，對設備要求也就較高，故而成本也難以降低。作為一種有機半導體，電荷轉移型金屬有機配合物M-TCNQ塊體和薄膜材料具有電雙穩(wěn)特性，有的還具有準一維導電性，在光電開關、存儲器件方面具有廣泛的應用前景，被認為是理想的分子電子學材料。但是目前M-TCNQ的一維結構研究甚少，

3、它的一維納米結構可能具有獨特的光、電特性。研究其一維生長的過程及工藝以及它們的潛在應用，例如：場發(fā)射，如何利用單根M-TCNQ納米線組成納電子器件等，對于了解M-TCNQ晶體的生長特性和在納電子領域的應用具有重要科學意義。有關有機材料的功函數(shù)測試工作報道較少，研究M-TCNQ納米線的場發(fā)射性能，有必要了解其功函數(shù)大小。 M-TCNQ具有柱狀的堆積結構，一定條件下可以獲得其一維生長。M-TCNQ薄膜在強電場作用下的納秒內(nèi)能夠從高阻

4、態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)，這一特性可能使得M-TCNQ一維納米結構具有優(yōu)異的場發(fā)射性能。理論上，取向排列好、離散、有序分布的納米線＼管陣列或均勻分布的薄膜都將具有良好的場發(fā)射性能。所以本論文圍繞M-TCNQ一維納米結構的制備和電學性能研究，重點研究了在M-TCNQ納米線的蒸氣輸運反應法的制備工藝、生長機理及其場發(fā)射性能。 分別利用傳統(tǒng)的溶液反應法、真空條件下的蒸氣輸運反應法和直接氣相反應法制備M-TCNQ一維微納米結構，通過SEM、XRD

5、、XPS等測試手段，對它們的形貌、結構和成分進行了表征。重點研究了蒸氣輸運反應法制備M-TCNQ納米線的工藝及生長機理。金屬薄膜的厚度及均勻性、反應溫度和時間、真空度、基片種類等對納米線的形貌、晶體結構有直接影響。通過對反應時間的控制，觀察到了處于不同生長階段的Ag-TCNQ納米線；結合銀膜在不同條件下熱處理引起的形貌變化，提出了取向納米線和納米帶等形貌按VS機制的生長過程。 在上述M-TCNQ納米結構制備研究的基礎上，測試了A

6、g-TCNQ微納米線及納米線陣列的電學性質。首先利用電子束刻蝕技術和光刻技術分別制作由納米線和微米線組成的兩端器件，利用函數(shù)發(fā)生器、示波器和探針系統(tǒng)測試其I-V特性，發(fā)現(xiàn)了單根微納米具有較好的開關特性和負電阻特性，有希望用于超高密度存儲以至于納米級的場效應晶體管；觀察到了納米線陣列也具有電雙穩(wěn)性質。然后將納米線陣列制作成過電壓保護器原型，結點數(shù)大大增加有可能提高安全系數(shù)，通過電容充放電測試了器件原型的轉變時間。 測試了Ag-TC

7、NQ納米線樣品的功函數(shù)。UPS譜測試得到的平均功函數(shù)為5．82eV：STM譜粗略測出局域功函數(shù)小于5eV。然后，利用自建的二極系統(tǒng)從實驗上研究了M-TCNQ納米線陣列的場致發(fā)射性能影響因素，總的說來制備M-TCNQ時的初始金屬薄膜厚度、反應溫度和時間以及測試時的極間距等對場發(fā)射性能均有影響。一般來說，金屬膜厚度在10-20nih時的M-TCNQ納米線具有較低的開啟電壓，約在2．0V／p,m左右。 為了進一步改善場發(fā)射性能，在納米

8、線表面蒸鍍低功函數(shù)的LiF膜，或者選用金屬片作為納米線生長的襯底進行了研究。表面鍍LiF的Ag-TCNQ納米線在5V／gm的場強下達到0．275mA／cm2的發(fā)射電流，穩(wěn)定性得到了較大的提高。在金屬基片上制備的Ag-TCNQ納米線在電場為2．0V／p,m時的電流密度為0．5mA／cm2，Cu-TCNQ納米線在電場為0．7V／p,m時的電流密度為0．6mA／cm2，比Si基片上的樣品有了較大的性能改善。 利用單根納米線的電學性質和

9、場發(fā)射樣品的XRD譜解釋了場發(fā)射中的電流“階躍”現(xiàn)象。結合納米線的導電性、納米線與基片的接觸界面以及納米線尖端形貌分析了場電子的發(fā)射過程。利用經(jīng)典F-N理論對場發(fā)射數(shù)據(jù)進行分析，估算出Ag-TCNQ的功函數(shù)約為1．29eV，Cu-TCNQ功函數(shù)為0．50eV。從實用角度看，需要進一步提高場發(fā)射電流和改善場發(fā)射穩(wěn)定性。 希望以上對電荷轉移型金屬有機配合物M-TCNQ微納米結構的制備及一些應用基礎方面的研究對今后M-TCNQ的電子器