[发明专利]一种石墨纳米片场发射材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及场发射材料，适用于场发射平面显示器(FED)中的场发射阴极，以及用于制作真空微电子器件的冷阴极。

背景技术

传统的显示器件-阴极射线管(CRT)显示器依靠热电子发射，存在体积大、功耗大和电磁辐射的缺点。而近些年新出现的显示器件如液晶显示器(LCD)虽然做到了轻薄不辐射，但是它的色彩饱和度和鲜艳程度还不如CRT，另外响应时间不够短，还需背景光。

随着真空微电子学的出现和发展，诞生了场发射平面显示器(FED)。FED的基本原理与CRT相同，即从阴极发射出电子并使其碰撞涂覆于阳极上的荧光体而发光。所不同的是，FED是为数众多的微细电子枪依阵列状排列，每一个像素对应于一把电子枪。电子枪发出的电子径直碰撞所面对的荧光体而发光显示图像。它与阴极射线管一样具有高亮度、高对比度，且由于图像不是通过扫描来显示，因此不需要偏转线圈，可以做得很薄，在尺寸和功耗上可与LCD相媲美。FED的核心部件是场发射阴极阵列(FEA)，而FEA的材料又至关重要。目前人们所使用的材料有金属钼、碳纳米管、金刚石、类金刚石、硅等。但是上述材料存在成本高、制备工艺复杂的缺点，且其开启场和阈值场较高，所以人们还在不断寻找更好的场发射阴极材料。

发明内容

本发明提供了一种新型的场发射材料——石墨纳米片，具有较低的开启场和阈值场，化学稳定性好，发射电流密度大；同时，其制备方法简便、能耗低，易于实现工业化量产。

本发明提供的石墨纳米片场发射材料，其特征在于它是由纳米级的片状石墨组成，石墨纳米片的厚度在50nm以下，长度为2～10μm；石墨纳米片的开启场，即对应于发射电流密度为10μA/cm²时的电场小于等于1.7V/μm；石墨纳米片的阈值场，即对应于发射电流密度为1mA/cm²时的电场小于等于3.4V/μm。1mA/cm²是场发射显示器的亮度达到300cd/m²时所需要的最小电流密度。

本发明提供的石墨纳米片场发射材料的制备过程如下：

步骤1：将工业可膨胀石墨放入耐高温容器中，加热使其充分膨胀，得到膨胀石墨。

步骤2：将膨胀石墨浸泡于有机溶剂中，超声振荡，使膨胀石墨在有机溶剂中充分分散成纳米片状。

步骤3：将步骤2所得的纳米片状膨胀石墨从有机溶剂中分离出来。

步骤4：对步骤3所得的纳米片状膨胀石墨进行真空退火处理后即得石墨纳米片场发射材料。具体真空退火条件为：真空度低于50帕，退火温度为350度至450度，退火保温时间1至2小时。

需要说明的是，在上述石墨纳米片场发射材料的制备过程中：(1)、步骤1中所述耐高温容器可采用氧化铝坩埚或铂金坩埚；加热方式不限，建议采用高效节能的微波加热方式。(2)、步骤2中所述有机溶剂宜采用挥发性有机溶剂，如无水乙醇或丙酮；所述超声振荡可采用超声清洗机实现。(3)、步骤3将步骤2所得的纳米片状膨胀石墨从有机溶剂中分离出来时，可先静置一段时间，待纳米片状石墨沉积于有机溶剂下方后，人工倾倒出上方的有机溶剂即可，无需严格分离，多余的有机溶剂可在退火步骤中自然去掉。

本发明实际测试石墨纳米片场发射材料的场发射性能时，将步骤3所得的纳米片状石墨涂敷于金属基片上，然后经步骤4的真空退火处理，得到场发射阴极；然后利用简单的二极管结构在高真空场发射台中测试其场发射性能。测试时背景真空为9×10^-5帕；利用一个圆柱形不锈钢阳极，直径0.39cm，面积0.119cm²；涂覆在金属片上的石墨纳米片作为阴极，阴极和阳极之间的距离为400μm；测试所得的数据作电流密度-电场强度曲线见图4所示。图4中，空心圆圈曲线表示未经退火处理的石墨纳米片场发射的电流密度-电场强度曲线；实心圆圈曲线表示经过退火处理的石墨纳米片场发射的电流密度-电场强度曲线。从图4中可以看出：经真空退火后，石墨纳米片场发射材料的开启场，即对应于发射电流密度为10μA/cm²时的电场为1.7V/μm；经真空退火后，其阈值场，即对应于发射电流密度为1mA/cm²时的电场为3.4V/μm。

本发明的有益效果是：