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AlN是一种重要的第三代半导体材料，它具有宽的能带宽度、优良的热传导性、较好的热稳定性、低的电子亲和势、低的介电常数及高的压电响应等理化性质，其一维纳米材料在场发射、光电子器件方面具有潜在应用前景。人们已发展了多种方法来制备各种形貌的AlN一维纳米结构，包括纳米线、纳米带、纳米管、纳米锥等。AlN纳米锥具有锋利的尖端和大的长径比，是一种很好的场发射材料，可望在真空微电子器件、场发射平板显示器等领域获得应用。目前，AlN基纳米冷阴极的研究尚处于实验阶段，距离实际应用还有较大的差距，主要是其开启电场和阈值电场较大，电流密度较小，定位、定向和大面积生长技术缺乏。
本课题组的前期研究中，通过AlCl3与NH3之间的化学反应，在较低的温度下(～700℃)制得了AlN纳米锥准定向阵列，场发射开启电场为12 V/μm。与其它纳米冷阴极材料(如碳纳米管等)相比，AlN纳米锥的场发射性能并不理想，可能的原因有两点：一是AlN纳米锥阵列的密度较大，由此产生的电场屏蔽效应会限制电子的发射；二是AlN的禁带较宽(6.2 eV)，载流子浓度低，导致电子难以从电极传输到纳米锥顶端。
本论文发展了图案化生长技术，降低了AlN纳米锥的密度，制备了不同元素掺杂的AlN纳米锥，并研究了图案化生长和掺杂对AlN纳米锥场发射性能的影响，取得以下具有创新性的成果：
1.发展了一种制备图案化纳米阵列的新方法。以Mo网为掩膜，利用AlCl3和NH3之间的化学反应，通过化学气相沉积法在Si基底上制得了图案化分布的AlN纳米锥阵列。AlN纳米锥选择性地在Mo网中空区域沉积，纳米锥尖端的直径约为10 nm，底部直径约为50-60 nm。通过改变M0网的规格，得到了不同尺寸的图案化AlN纳米锥。比较了两种不同图案化AlN纳米锥及未图案化样品的场发射性质，结果表明：与未图案化样品相比，图案化样品的场发射性能有明显提高，其开启电场和阈值电场降低了约一半，且场发射电流密度显著提高。这是因为图案化生长能减小AlN纳米锥的密度，使得场发射头之间的电场屏蔽效应降低。本实验结果说明图案化生长是一种有效且重复性较好的提高AlN纳米锥场发射性能的方法。
2.通过CVD法制备AlN纳米锥的过程中，以无水ZnCl2为Zn源，在Si基底上制得了Zn掺杂AlN纳米锥阵列，研究了其制备规律。结果表明：AlN纳米锥中Zn的含量与ZnCl2的气化温度、Si基底的位置、反应时间等因素有密切关系。如果以无水MgCl2为Mg源，通过相似的制备过程可制得Mg掺杂AlN纳米锥阵列。表征了Zn、Mg掺杂的AlN纳米锥的场发射性能，结果表明Zn、Mg掺杂对AlN纳米锥的场发射性能影响不大。对AlN材料来说，Zn、Mg是p型掺杂剂，p型掺杂会使AlN的费米能级向价带移动，逸出功函增大，不利于电子的场致发射。
3.通过CVD法制备AlN纳米锥的过程中，以SiH4为Si源，制得了Si掺杂AlN纳米锥阵列·通过调节SiH4的进气量可调变AlN纳米锥中Si的掺杂量，研究发现SiH4的进气量越多，Si掺杂量越少，且AlN纳米锥的长径比下降。对AlN材料来说，Si是n型掺杂剂，Si掺杂会使AlN的费米能级更靠近导带，电子更容易遂穿至真空能级，促进其场发射性能。而实际测量时仅发现Si掺杂AlN纳米锥的场发射电流有所提高，开启电场略有下降，这可能与Si掺杂AlN纳米锥的形貌有关。虽然Si掺杂会降低功函，但会导致纳米锥的长度变短(～700 nm)及顶端半径增大，长径比的减小，不利于其场致电子发射。