[发明专利]一种船槽式图案结构生长的碳纳米管生长方法及其发射体

说明书

技术领域

本发明涉及一种显著提高场发射性能的碳纳米管生长方法。本发明适用于对发射电流要求较高的场发射器件，例如，X射线源、微波放大器和场发射扫描电子显微镜等内部的电子源。

背景技术

碳纳米管是目前场发射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，国内外许多研究机构均积极努力，以实现碳纳米管在场发射领域的实际应用和产业化。在现有的碳纳米管及相关研究领域中，为提高场发射性能，不断探索新的结构、材料和工艺方法等。然而，对于目前众多的发射材料和其器件结构，它们的结构和工作机理仍待进一步的探索，进而对器件的潜在性能实现充分发掘和应用，这依然是科研人员目前甚至数十年后的重大的研究课题。

目前，大电流密度场发射器件（如冷阴极X射线管和微波放大器等）的制备中，对碳纳米管发射阴极阵列的分布均匀性和取向性要求较高，而定向碳纳米管阵列阴极因取向性好、场发射性能优越具有很大的应用潜力。现在，制备获得大电流的方法主要是电泳沉积、丝网印刷和CVD沉积法等。理论上，阵列分布均匀和取向性高的碳纳米管，应获得较大的发射电流，然而，研究至今，没有使其得到广泛的实际应用，说明完美的阵列生长仍存在许多不足，为获得大电流的场发射性能还需进一步的讨论研究和技术改进；通过已有的研究发现碳纳米管的发射电子能力与阵列结构、种类、形貌等因素关系紧密，为获得更明确的影响关系仍需进一步探索其结构和生长技术等。

近来，研究定向碳纳米管阵列的场发射性能存在如下问题：（1）虽然文献已报道了较大的发射电流密度，这只是在小发射面积上获得，但发射总电流还是较小，通过大面积发射源来获得较大的发射电流存在一些困难，有些文献上报道了通过电泳沉积法可获得较大的发射电流，所以目前制备的碳纳米管阵列的发射性能尚无法满足需要电流的器件要求；（2）发射稳定性和均匀性存在严重问题，限制了其在场发射器件中的应用；如电泳沉积法虽然能获得较好的发射电流，它的沉积均一性就存在一些问题；丝网印刷法虽能获得可观的发射电流，其印刷面积和沉积厚度与均一性控制比较困难；总之，为获得较完美的发射体样品并呈现出优异的场发射性能仍需要进一步的探索和研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有生长方法中的不足，提出一种船槽式新型图案结构生长碳纳米管的生长方法及其发射体。控制催化剂沉积条件和图案，改变碳纳米管生长条件等来获得集阵列垂直型碳纳米管和无序横向型碳纳米管的碳纳米管发射体，外围高墙效应有利于无序电子的聚焦，这能有效的增加碳纳米管发射体的场发射电流，达到数十毫安的电流。当制备的发射体在场效应下获得电流达到数十甚至上百毫安时，这些阴极发射体就能够广泛应用在X射线源、微波放大器和场发射扫描电子显微镜等内部的电子源，满足对发射电流要求较高的场发射器件的应用要求。

本发明的技术方案是：

一种船槽式图案结构生长的碳纳米管生长方法，具体步骤如下：

（1）提供一种基底；

（2）提供一种0.05～0.1mm厚、通过激光或电子束技术制备的带有船槽式图案结构的不锈钢图案模版；

（3）将步骤（2）中所述图案模版固定在步骤（1）中所述基底表面，并通过磁控溅射分别先后溅射一层9～15nm厚的缓冲层和1.5～2nm的催化剂层，溅射时间分别90～150s和18±2s；

（4）将步骤（3）中溅射完成的样品放入一只石英管内作为一个整体置入管式炉中，将管式炉中的气压抽至5.0Pa以下；

（5）向步骤（4）中所述的管式炉中通入流速比率为3:10～5:8的氢气和氩气作为加热保护气体，并控制管内的压强为1.8E3±0.5E3Pa；

（6）开启加热电源对步骤（5）中所述的管式炉进行升温处理，控制温度的范围在600℃至800℃后，关闭氩气，通入氢气并维持5～15min，并控制气压为2.8E3±0.2E3Pa；

（7）向步骤（6）中所述的管式炉通入碳源气体、氢气和氩气，并控制气压为1.5E4±0.2E3Pa，进行碳纳米管的生长过程，生长时间维持在15～30min；

（8）步骤（7）中所述碳纳米管生长结束后，停加热系统，待冷至室温时，取出初始样品，获得CVD法生长的碳纳米管初始样品。

进一步的，步骤（3）中所述的缓冲层薄膜材料为三氧化二铝、二氧化硅或者氮化硅。

进一步的，步骤（3）中所述的缓冲层薄膜材料为三氧化二铝。

进一步的，步骤（3）中所述的催化剂为铁、镍或者钴。

进一步的，步骤（2）中所述的船槽式图案结构的图案的形状和大小能够变化。