[发明专利]用于制备纳米碳管大面积垂直取向的高压电场处理装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于纳米碳管，特别是涉及用于制备纳米碳管大面积垂直取向的高压电场处理装置。

背景技术

自从1991年Iijima发现了纳米碳管(CNT)，它以其独特的准一维结构、优异的物理化学特性以及超强的力学性能，成为世界各国科学家的研究热点。纳米碳管(CNT)具有发射电子的特性，顶端直径为纳米量级(1～10nm)，可以比其它材料在较低的激发电场下发射电子，与其它的热电子、热离子电子发射情况不同的是，无需对CNT中的电子施加额外的能量(如光能、热能或者电能等)，从而形成了冷场致发射。用CNT制作场致发射冷阴极具有普通金属阴极场致发射所无法比拟的一些优点：形成的电场可以较容易地发射电子，低阴极功耗，无预热延迟，高密度集成化，发射电流密度大，电子初速分布窄，可在低电压下工作等，因此，CNT是Spindt金属微针尖的最佳替代者，被认为是理想的场致电子发射材料之一。目前有关CNT场发射性能方面的研究已成为该领域中的热门课题，CNT在场发射电子源、场发射平面显示器以及场发射器件等方面有着广阔的应用前景，尤其在场发射显示器(FED)中，由于它不仅可以提高场发射平面显示器的性能，如具有较低的开启电压和较大的场发射电流密度，而且能耗低、制造成本低，因此更被受到重视。

为进一步提高纳米碳管的场发射性能，研究人员进行了大量的实验，研究表明纳米碳管的场发射性能与它的取向有关，垂直于基板的纳米碳管具有较其他取向更大的场发射能力。目前制备垂直取向纳米碳管的定向生长方法是采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法获得。用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备垂直取向纳米碳管的缺点有二：1)PECVD法制备垂直取向纳米碳管必须在石英管中进行，由于石英管的直径难以大的原因，获得纳米碳管垂直取向的基板面积甚小，一般不大于10×10cm；2)PECVD法定向生长纳米碳管的温度高于600℃，基板必须耐高温(大于600℃)，现大多使用硅片，价格昂贵。这严重影响了纳米碳管在场发射方面的应用，制约了纳米碳管的应用领域。

发明内容

为了克服现有制备技术的不足，本发明提供一种制备纳米碳管大面积垂直取向的高压电场处理装置，它采用高压电场处理方法，在不高于400℃温度下使纳米碳管由原来的无序排列成为大部分乃至全部垂直取向。

本发明提供用于制备纳米碳管垂直取向的高压电场处理装置，主要由直流可调高压电源、电压表、阳极金属板、阴极金属板、红外线灯和基座组成，其特征是所述直流可调高压电源的输出端正、负极分别经导线连接阳极金属板与阴极金属板，两块极板水平平行放置，固定在基座架上，间距在2～5cm之间可调，金属极板的面积大于或等于印刷有纳米碳管层的基板面积。

本发明直流可调高压电源的负极输出端连接短路棒，供印刷有纳米碳管层的基板高压电场处理完成后短接金属板阳极，以使残留高压放电，确保操作人取出基板时的安全。

本发明提供高压电场处理装置，用于纳米碳管垂直取向制备的高压电场处理步骤为：将印刷有纳米碳管层的基板放置在高压电场处理装置中的阴极金属板上，开启直流可调高压电源，调节电压至5～15KV，使电场强度达到2～5KV/cm，同时用红外线灯加热烘烤至100～150℃，保持15～30分钟，在强电场力作用下，基板上纳米碳管层取向随机排列的纳米碳管大部分乃至全部变成垂直取向排列并且定形，然后，关闭直流可调高压电源，用短路棒短接金属板阳极，使残留高压放电，取出基板。

本发明所述印刷有纳米碳管层的基板制备步骤为：将纯化后的纳米碳管投入硝酸溶液中，置水浴加热70～80℃，时间60～90分钟切断长径比大的纳米碳管，用去离子水冲洗、干燥之；将醋酸丁脂90～98重量％和硝化纤维素2～10重量％混合溶解成有机粘接剂，然后将有机粘接剂和切断的纳米碳管按重量比90～98％和2～10％混合调制成浆料，用丝网印刷方法，将浆料印刷在基板上。

本发明所述加热焙烧基板，是将高压电场处理后的基板放置在焙烧炉于大气气氛中加热至350～400℃，保温时间20～40分钟。

本发明的有益效果是：采用本发明高压电场处理装置，可以在大面积基板上获得纳米碳管垂直取向，纳米碳管垂直取向的面积可大于10×10cm，处理装置简单，操作方法方便。

本发明制备温度低于400℃，由于制备温度低，基板可用玻璃等不耐高温材料，操作方法简单方便，制造成本低，制备过程易控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。