為了研究有機(jī)溶劑對(duì)化學(xué)合成法中生成的氧化鉍納米材料結(jié)構(gòu)及場(chǎng)發(fā)射性能的影響，反應(yīng)過(guò)程中，分別添加三個(gè)不同劑量的有機(jī)溶劑，獲得三種產(chǎn)物。利用掃描電鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試，結(jié)果表明，線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(qiáng)因子最大，為2160，場(chǎng)發(fā)射性能最佳，手狀結(jié)構(gòu)的氧化鉍納米材料陰極陣列場(chǎng)發(fā)射次之，類手狀結(jié)構(gòu)最差，最后對(duì)有機(jī)溶劑對(duì)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(jié)構(gòu)的淡黃色固體，是一種用途相當(dāng)廣泛的半導(dǎo)體材料，其對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極它的導(dǎo)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(shù)和顯著的光致發(fā)光和光電導(dǎo)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(yīng)用。

　　納米氧化鉍的制備方法很多，傳統(tǒng)上可以籠統(tǒng)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的報(bào)道文獻(xiàn)很少，所以本文將致力于研究在化學(xué)合成法中，有機(jī)溶劑作為分散劑對(duì)產(chǎn)物粒徑大小、形貌及晶型的影響，并對(duì)產(chǎn)物樣品進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)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(jī)溶劑、反應(yīng)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(jù)；同樣通過(guò)對(duì)氧化鉍納米材料的場(chǎng)發(fā)射結(jié)果分析，我們將獲取材料形貌、結(jié)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(yīng)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(yàn)

　　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(xù)的磁力攪拌下，逐漸滴加氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)至不同的pH 值，待反應(yīng)結(jié)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(yīng)方程如下：

　　在反應(yīng)過(guò)程中，如果沒(méi)有加入分散劑，則反應(yīng)溶液為水溶液，在以水為體系中，離子擴(kuò)散速度快，反應(yīng)的速度也快，所以晶粒生長(zhǎng)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(zhǎng)速度過(guò)快，就需要在反應(yīng)體系中加入添加劑，在本反應(yīng)中，為了控制生長(zhǎng)速度，加入了油酸、庚烷和丙酮等有機(jī)溶劑，這些有機(jī)溶劑阻礙了反應(yīng)離子之間的快速反應(yīng)，增強(qiáng)了顆粒之間的空間位阻，起到了控制晶粒成長(zhǎng)，防止顆粒團(tuán)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(dāng)加入有機(jī)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(biāo)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(duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行分析測(cè)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(jié)，獲得相應(yīng)的A 樣品、B 樣品C 樣品。三個(gè)樣品封裝測(cè)試，并進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能對(duì)比。

2、結(jié)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(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的直徑為幾百納米，長(zhǎng)度均在1 μm 以上；圖1(b) 為樣品B，其形貌結(jié)構(gòu)為線狀結(jié)構(gòu)，直徑約為50 nm，納米線的長(zhǎng)度從幾微米到幾十微米不等; 圖1(c) 為樣品C，有大面積的類手狀結(jié)構(gòu)，且在各分支之間存在一些支狀的沉積物，這些結(jié)構(gòu)的直徑也在幾百納米之上，長(zhǎng)度為1μm 以上。

　　從圖1 的對(duì)比看出，有機(jī)溶劑的濃度對(duì)產(chǎn)物的形貌有很大的影響。這是因?yàn)檫@些有機(jī)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?yàn)槲�附有機(jī)溶劑，影響了晶核這些晶面的成長(zhǎng)速度，最終造成了不同的形貌，在實(shí)驗(yàn)中，一共用三種的有機(jī)溶劑，每種有機(jī)溶劑有相對(duì)應(yīng)的晶面吸附，調(diào)節(jié)了不同晶面的相對(duì)生長(zhǎng)自由能，從而改變?cè)瓉?lái)晶體的生長(zhǎng)習(xí)性，得到了如圖1 所示的各種形貌。

圖1 不同劑量的有機(jī)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(jī)物有機(jī)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，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(jī)溶劑下制備的氧化鉍納米材料陣列的J-E 曲線圖

3、結(jié)論

　　采用化學(xué)合成法，制備氧化鉍納米材料，通過(guò)對(duì)反應(yīng)過(guò)程中影響因素的研究，我們發(fā)現(xiàn)，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(jī)溶劑濃度的不同，影響氧化鉍晶核的晶面的成長(zhǎng)速度，最終影響其形貌。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試表明，不同納米材料的形貌，影響其場(chǎng)增強(qiáng)因子，并最終影響場(chǎng)發(fā)射性能，其中線狀的氧化鉍納米材料的場(chǎng)增強(qiáng)因子最大，大小約為2160，對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟電場(chǎng)最低、發(fā)光情況最好，而類手狀的氧化鉍納米材料的場(chǎng)增強(qiáng)因子最小，只有1200 左右，其對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟電場(chǎng)最高、發(fā)光情況最差。