有機溶劑對氧化鉍納米結構形貌和場(chǎng)發(fā)射性能的影響

　　為了研究有機溶劑對化學(xué)合成法中生成的氧化鉍納米材料結構及場(chǎng)發(fā)射性能的影響，反應過(guò)程中，分別添加三個(gè)不同劑量的有機溶劑，獲得三種產(chǎn)物。利用掃描電鏡對其結構進(jìn)行分析，并進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能測試，結果表明，線(xiàn)狀的氧化鉍納米材料陰極陣列，開(kāi)啟電場(chǎng)最小，為2. 6 V/μm，場(chǎng)增強因子最大，為2160，場(chǎng)發(fā)射性能最佳，手狀結構的氧化鉍納米材料陰極陣列場(chǎng)發(fā)射次之，類(lèi)手狀結構最差，最后對有機溶劑對不同形貌產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

　　納米氧化鉍材料是一種多相和多晶結構的淡黃色固體，是一種用途相當廣泛的半導體材料，其對于標準氫電極它的導帶和價(jià)帶邊分別是0.33 和3.13eV，禁帶寬度Eg = 2.8 eV，且它具有較高的折射率、介電常數和顯著(zhù)的光致發(fā)光和光電導特性，在光電子學(xué)器件、微電子學(xué)和傳感技術(shù)等領(lǐng)域有許多應用。

　　納米氧化鉍的制備方法很多，傳統上可以籠統地分為氣相法、固相法和液相法，除這些方法外，人們還嘗試其它的方法來(lái)制備Bi2O3納米材料，取得了一定的進(jìn)展，如模板法、脈沖激光法、電紡織法和低成本的化學(xué)合成法。到目前為止，關(guān)于基于低成本的化學(xué)合成法制備氧化鉍納米線(xiàn)的報道文獻很少，所以本文將致力于研究在化學(xué)合成法中，有機溶劑作為分散劑對產(chǎn)物粒徑大小、形貌及晶型的影響，并對產(chǎn)物樣品進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射性能測試。通過(guò)對材料的表征，我們將獲取氧化鉍納米材料粒徑、形貌和晶型與有機溶劑、反應物及工作條件之間的關(guān)系，為基于化學(xué)合成法的氧化鉍納米材料的制備提供了科學(xué)依據；同樣通過(guò)對氧化鉍納米材料的場(chǎng)發(fā)射結果分析，我們將獲取材料形貌、結果與場(chǎng)發(fā)射的關(guān)系，氧化鉍納米材料在場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域中的應用價(jià)值，為場(chǎng)發(fā)射中陰極材料的研究提供一個(gè)科學(xué)參考。

1、實(shí)驗

　　取0.485 g 的Bi(NO3)3·5H2O，溶解于9 ml 的稀硝酸(1 mol /L) ，形成溶液，置于錐形瓶中，室溫下攪拌溶解，并隨后加入一定量的油酸、庚烷和丙酮，磁力攪拌10 min 后，并在持續的磁力攪拌下，逐漸滴加氫氧化鈉溶液，調節至不同的pH 值，待反應結束后，常溫下攪拌8 min 后，過(guò)濾洗滌，再經(jīng)醇洗、干燥脫水、焙燒，備用。

　　本文采用NaOH 為沉淀劑，其反應方程如下：

　　在反應過(guò)程中，如果沒(méi)有加入分散劑，則反應溶液為水溶液，在以水為體系中，離子擴散速度快，反應的速度也快，所以晶粒生長(cháng)的速度就過(guò)快，粒徑變大，這是獲得高性能納米材料的一個(gè)重要障礙，所以為了防止晶粒生長(cháng)速度過(guò)快，就需要在反應體系中加入添加劑，在本反應中，為了控制生長(cháng)速度，加入了油酸、庚烷和丙酮等有機溶劑，這些有機溶劑阻礙了反應離子之間的快速反應，增強了顆粒之間的空間位阻，起到了控制晶粒成長(cháng)，防止顆粒團聚的作用。

　　在相同的溶液濃度、溶劑濃度、干燥溫度、煅燒溫度等條件下，當加入有機溶劑為1 ml 的油酸，1ml的庚烷和5 ml 的丙酮；3 ml 的油酸，3ml 的庚烷，10ml 的丙酮；5 ml 的油酸，5ml 的庚烷，15 ml 的丙酮；三種不同的劑量，獲得了三種產(chǎn)物，分別標志為A 產(chǎn)物、B 產(chǎn)物、C 產(chǎn)物，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，日立S-3000N 系列) 對這些產(chǎn)物進(jìn)行分析測試。將這三份產(chǎn)物，分別經(jīng)過(guò)過(guò)濾、烘干、漿料配制、超聲粉碎、絲網(wǎng)印刷到陰極電極上，并進(jìn)行燒結，獲得相應的A 樣品、B 樣品C 樣品。三個(gè)樣品封裝測試，并進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能對比。

2、結果與討論

　　2.1、氧化鉍的形貌

　　圖1 為三個(gè)樣品的SEM 分析，圖1 (a) 為樣品A，有大面積的手狀結構，這些結構的直徑為幾百納米，長(cháng)度均在1 μm 以上；圖1(b) 為樣品B，其形貌結構為線(xiàn)狀結構，直徑約為50 nm，納米線(xiàn)的長(cháng)度從幾微米到幾十微米不等; 圖1(c) 為樣品C，有大面積的類(lèi)手狀結構，且在各分支之間存在一些支狀的沉積物，這些結構的直徑也在幾百納米之上，長(cháng)度為1μm 以上。

　　從圖1 的對比看出，有機溶劑的濃度對產(chǎn)物的形貌有很大的影響。這是因為這些有機溶劑作為一些分散劑或表面活性劑，能夠有選擇地吸附在晶核的表面，而晶核的一些晶面也因為吸附有機溶劑，影響了晶核這些晶面的成長(cháng)速度，最終造成了不同的形貌，在實(shí)驗中，一共用三種的有機溶劑，每種有機溶劑有相對應的晶面吸附，調節了不同晶面的相對生長(cháng)自由能，從而改變原來(lái)晶體的生長(cháng)習性，得到了如圖1 所示的各種形貌。

圖1 不同劑量的有機溶劑的產(chǎn)物SEM 圖

　　2.2、氧化鉍的場(chǎng)發(fā)射性能

　　圖2 為不同量有機物有機溶劑的氧化鉍產(chǎn)物的場(chǎng)發(fā)射特性圖，從圖2 中可以看出，B 樣品即線(xiàn)狀的納米氧化鉍材料的開(kāi)啟電場(chǎng)、閾值電場(chǎng)明顯比A 樣品( 手狀的納米氧化鉍材料) 、C 樣品( 類(lèi)手狀的納米氧化鉍材料) 的低，而A 樣品的開(kāi)啟電場(chǎng)、閾值電場(chǎng)居中，C 樣品的開(kāi)啟電場(chǎng)及閾值電場(chǎng)最高。若定義場(chǎng)發(fā)射器件在工作電壓作用下產(chǎn)生0.1 μA/cm² 的電流密度所需的電場(chǎng)為器件的開(kāi)啟電場(chǎng)，則從圖中的J-E 曲線(xiàn)，可以算出，A 樣品的開(kāi)啟電場(chǎng)為3.2V/μm，B 樣品為2.6 V/μm，C 樣品則為5.7 V/μm。

圖2 不同量有機溶劑下制備的氧化鉍納米材料陣列的J-E 曲線(xiàn)圖

3、結論

　　采用化學(xué)合成法，制備氧化鉍納米材料，通過(guò)對反應過(guò)程中影響因素的研究，我們發(fā)現，作為分散劑或表面活性劑的油酸、庚烷和丙酮，能夠吸附在氧化鉍的晶核的一些晶面上，這些有機溶劑濃度的不同，影響氧化鉍晶核的晶面的成長(cháng)速度，最終影響其形貌。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射性能測試表明，不同納米材料的形貌，影響其場(chǎng)增強因子，并最終影響場(chǎng)發(fā)射性能，其中線(xiàn)狀的氧化鉍納米材料的場(chǎng)增強因子最大，大小約為2160，對應的開(kāi)啟電場(chǎng)最低、發(fā)光情況最好，而類(lèi)手狀的氧化鉍納米材料的場(chǎng)增強因子最小，只有1200 左右，其對應的開(kāi)啟電場(chǎng)最高、發(fā)光情況最差。