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掺杂及表面修饰铝镓氮场发射性能研究
摘要
本文基于对掺杂和表面修饰对铝镓氮发射性能的影响研究，探究了不同方法的实验过程和数据分析，得到以下结论：掺杂和表面修饰可以显著增强铝镓氮发射性能。其中，掺杂方法中，采用C、B、O、S等元素均可以带来增强光电性能的效果，而表面修饰方法中，采用金属导体材料、金属纳米颗粒等修饰手段也有类似效果。本文研究结果对于突破现有铝镓氮场发射器的瓶颈问题和未来发展具有重要的参考价值。
关键词：掺杂、表面修饰、铝镓氮、发射性能
引言
铝镓氮（AlGaN）场发射器作为新型光电器件，因具有小尺寸、高紧凑性、高温稳定性等优势被广泛关注。然而，铝镓氮场发射器应用过程中仍然存在发射场强不稳定、电子收集不足、寿命短等问题，而这些问题的解决与铝镓氮的电子结构密切相关。因此，掺杂和表面修饰作为铝镓氮结构调控的主要方法，成为提升铝镓氮场发射性能的研究重点。本文旨在通过对铝镓氮材料掺杂和表面修饰的实验研究，分析对发射性能的影响规律，为铝镓氮场发射器的应用提供参考。
实验方法
1实验材料
本实验用到的铝镓氮样品为Al0.7Ga0.3N薄膜，制备于石墨基板上。
2实验掺杂
采用原子层沉积(ALD)技术在样品表面掺杂C、B、O、S等元素，其中C掺杂采用甲烷(CxHy)和三乙胺(TEA)作为前体分别进行二次沉积，B和O掺杂分别采用三甲基硼(C3H9B)和四甲基硅(TEOS)前体分别沉积，S掺杂则选用二甲二硫(S2Cl2)和巯基乙硫醇(MES)作前体。
3表面修饰
采用直流电场辅助沉积技术在样品表面沉积金属导体材料Au、Ag及金属纳米颗粒。
4实验分析
利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)等分析手段，对样品表面形貌、元素组成分布等进行测试。
结果和分析
1掺杂方法对铝镓氮的发射性能影响
通过掺杂不同元素，我们能够发现不同元素掺杂对铝镓氮的场发射性能都有一定的影响。其中，C掺杂对场发射性能的提升效果最好，其场发射电子数密度可提高至基础值的20倍，而B、O、S等元素掺杂也能够为发射性能带来一定的提升，但未达到C掺杂所实现的效果。
这是因为C元素掺杂能够降低样品表面能量势垒，从而减小电子逸散能量，提高场发射的电子密度。而B、O、S等元素表面掺杂虽然也能够改变材料表面电子能量势垒，但由于其元素的电子亲和度较低，因此所产生的效应较为有限，而且其掺杂效果也较为依赖其沉积量和沉积时间等因素。
2表面修饰对铝镓氮的发射性能影响
采用不同的表面修饰手段，我们发现金属导体材料Au、Ag对样品表面场发射电子数密度均有显著提升效果。其中，Au修饰相对于Ag修饰表现更佳，其电子场发射密度可提高至基础值的8倍。
这是因为金属导体材料在表面修饰后能够形成“势坑”结构，从而使电子在材料表面集聚，进而提高场发射电子密度。而金属纳米颗粒修饰在目前实验条件下未能够实现类似效应，只能对样品表面形貌进行一定改善。
综合来看，实验表明掺杂和表面修饰都是对铝镓氮场发射性能提升的有效手段。掺杂手段中，C掺杂能够带来最好的提升效果；而表面修饰方法中，金属导体材料修饰能够显著提高电子场发射密度。未来的研究可以通过深入探究掺杂和表面修饰对铝镓氮材料的电子结构等方面进行理论分析，进一步优化铝镓氮场发射器的性能。
结论
本文通过对铝镓氮材料掺杂和表面修饰方法对场发射性能的实验研究，得到以下结论：
1）掺杂和表面修饰均能有效提升铝镓氮场发射性能。
2）C掺杂和金属导体材料修饰分别是掺杂和表面修饰手段中效果最好的方法。
3）未来研究可以通过理论分析研究掺杂和表面修饰对铝镓氮的电子结构等方面的影响，进一步优化铝镓氮场发射器的性能。
参考文献
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