PEDOT-co-T34bT纳米线的电学和场发射性能研究

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：PEDOT-co-T34bT纳米线阵列样品的功函数明显低于PEDOT和PT34bT纳米线阵列两个样品。PEDOT-co-T34bT纳米线阵列和PT34bT纳米线阵列的发射电流的稳定性测试是在一个恒定的电场下进行的，测量纳米线阵列尖端与阳极板之间距离为200 μm下的电流密度。其中，共聚物PEDOT-co-T34bT纳米线阵列样品显示出更优异的性能。这是由于相较于单组分的PT34bT纳米线阵列而言，PEDOT-co-T34bT纳米线阵列中电学性能优异的EDOT单体的存在使电子传输更为顺畅，这也是共聚物纳米线阵列性能提高的最主要因素之一。

PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的导电性能是通过测量电流（I）与偏执电压（V）即I-V曲线来研究的。纳米线阵列电极器件的搭建如图5.31右下角所示。大体上来说，将生长在AAO模板中的纳米线外面的模板用2 mol/L 的NaOH溶液选择性地部分溶解，随后将这些纳米线阵列膜（面积约为10 mm2）放在一个平整的铂片上。随后，将一片ITO玻璃覆盖在纳米线阵列膜上，同时，一定要确保在整个实验过程中，铂片与ITO玻璃完全不接触。在不同纳米线阵列的导电性能测量实验中，都得到了相应的线性I-V曲线（图5.31），这表明，纳米线阵列和铂电极之间是良好的欧姆接触关系。通过计算可知，PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的导电率分别为0.024 S·m-1、0.009 S·m-1和0.029 S·m-1，结果显示这三种材料都是性能优良的有机半导体材料。其中，PEDOT-co-T34bT纳米线阵列具有最高的导电能力，这是因为共聚物PEDOT-co-T34bT分子链中存在具有3-α位点的T34bT单体，经过聚合得到的会是一种具有更大π-电子体系的“交联”网状聚合物结构。

图5.31　PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的导电I-V曲线

接下来，分别详细研究了PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的场发射性能，如图5.32所示。首先，定义开启电场（Eto）和阈值电场（Eth）这两个基本参数，分别定义为电流密度达到10 μA·cm-2和1 mA·cm-2。在这部分实验中，作为测试场发射性能的纳米线阵列样品要求具有统一的长度（10 μm）和直径（270 nm）以及末端开口的形状，纳米线长度的统一可以通过电化学聚合的时间来精确控制。另外，纳米线直径与AAO模板的孔径统一。经过研究可知，PT34bT纳米线阵列和PEDOT纳米线阵列两种样品的开启电场是3.83 V·μm-1和3.17 V·μm-1，阈值电场强度分别为5.83 V·μm-1和4.83 V·μm-1，测量数据显示，PT34bT纳米线阵列和PEDOT纳米线阵列样品的场发射性能比很多有机半导体材料都要高出很多。其中最为重要的是，PEDOT-co-T34bT纳米线阵列具有一个相对低得多的开启电场（1.83 V·μm-1）和阈值（4.50 V·μm-1），这比很多相似结构的有机半导体材料都低。值得注意的是，三种阵列样品的发射电流密度都要高于4 mA·cm-2，其中PEDOT-co-T34bT纳米线阵列样品同样也是最高的。根据经典的F-N理论，推断此场发射过程符合量子隧穿过程，电流密度J和外加电场E之间的关系可以描述如下：

式中，J为从基底电场到发射尖端半径的电流密度；A =1.5×10-6A·V-2；B =6.83× 109V·m-1·eV-3/2；β是增强因子；Φ是发射材料的功函数。根据孤立半球模型理论可以得到：

式中，Elocal是基底电场强度；V是外加电压；Rtip是尖端的曲率半径；α是修正因子。由式（5.1）和式（5.2）可以得到：

图5.32　三种纳米线阵列的场发射性能测试

（a）PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的J-E曲线；（b）PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的Fowler-Nordheim（F-N）曲线；（c）PEDOT纳米线阵列、PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的开启电场和阈值；（d）PT34bT纳米线阵列和PEDOT-co-T34bT纳米线阵列的场发射稳定性测试

接下来是对PEDOT-co-T34bT和单组分的PT34bT纳米线阵列的场发射稳定性的研究。PEDOT-co-T34bT纳米线阵列和PT34bT纳米线阵列的发射电流的稳定性测试是在一个恒定的电场下进行的，测量纳米线阵列尖端与阳极板之间距离为200 μm下的电流密度。

两种纳米线阵列的场发射稳定性研究分别在5.8 V·μm-1和7.0 V·μm-1的电场强度下进行，时间选定为5 400 s，如图5.32（d）所示。实验结果显示，这两种纳米线阵列在5 400 s 以内电流密度一直维持在2 mA·cm-2水平并且没有明显的变化（变化率在10 %内）。长时间直流电压下的测试可以得出如下结论：PEDOT-co-T34bT纳米线阵列和PT34bT纳米线阵列都具有长期的场发射稳定性。其中，共聚物PEDOT-co-T34bT纳米线阵列样品显示出更优异的性能。这是由于相较于单组分的PT34bT纳米线阵列而言，PEDOT-co-T34bT纳米线阵列中电学性能优异的EDOT单体的存在使电子传输更为顺畅，这也是共聚物纳米线阵列性能提高的最主要因素之一。对材料分子结构上的细微控制可以得到这种能够有效提高冷阴极场发射性能的方法。

PEDOT-co-T34bT纳米线的电学和场发射性能研究

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