[发明专利]石墨烯场发射阴极制备方法及石墨烯场发射阴极

说明书

技术领域

本申请涉及场发射技术，尤其涉及一种石墨烯场发射阴极制备方法及石墨烯场发射阴极。

背景技术

石墨烯是一种新型碳纳米材料，它是指紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，具有与纳米碳管类似的性能，比如极其优异的导电特性和热传导特性，非常稳定的机械化学性能。石墨烯具有大的尺寸厚度比和丰富发达的边缘结构，是一种理想的场发射材料，有望在真空微波器件、场发射显示、X射线源等场发射领域得到应用。

为了实现石墨烯在场发射方面的应用，首先必须把石墨烯均匀沉积在合适的衬底上。目前，可采用的方法包括化学气相沉积法（CVD）以及电泳沉积法。CVD法是将催化剂衬底置于高温炉内，然后通入作为碳前驱物的气体，生成石墨烯的方法。CVD生长法制备的石墨烯通常平行于衬底方向，有效发射尖端少，导致发射电流小。此外，CVD生长的石墨烯需要经过复杂的转移工艺，转移到其他衬底上。这些都严重限制了石墨烯场发射阴极的实际应用。电泳沉积法是将石墨烯和能提供电荷的金属无机盐（电荷添加剂）均匀分散于水或有机溶剂中，在直流或交流电场作用下，带电荷的石墨烯向阳极或者阴极移动，并沉积到导电基底上。和化学气相沉积法相比，电泳沉积法工艺简单易控制，制备周期短，可以在任意形状和尺寸的衬底上大面积均匀制备石墨烯场发射阴极，实际应用前景广阔。

但使用电泳沉积法，石墨烯与衬底之间的导电性能较差，导致场发射电流小。同时，由于接触电阻大，阴极在场发射过程中的自加热现象严重，导致石墨烯的结构容易被破坏，场发射电流迅速衰减。

发明内容

本申请提供一种石墨烯场发射阴极制备方法及石墨烯场发射阴极。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种石墨烯场发射阴极制备方法，包括：

将石墨烯、金属可溶性无机盐按照预定比例加入有机溶剂中，制得带正电荷的石墨烯电泳溶液； 

使用导电基板作为阴极，分别将阳极和所述阴极置于所述石墨烯电泳溶液中，外加电场，使带正电荷的石墨烯向所述阴极方向移动，并沉积在所述阴极上，得到掺杂金属颗粒的石墨烯薄膜；

将所述石墨烯薄膜干燥，获得石墨烯场发射阴极。

上述方法中，所述金属可溶性无机盐包括铜、银、金和铂的可溶性无机盐中的一种或多种的混合物。

上述方法中，所述金属可溶性无机盐包括硝酸铜、硝酸亚铜、硝酸银、氯化铜、氯化金和氯化铂。

上述方法中，所述金属可溶性无机盐和所述石墨烯的重量比为0.01～1。

上述方法中，所述石墨烯包括单层石墨烯和/或多层石墨烯。

上述方法中，所述石墨烯电泳溶液的浓度为0.05～10mg/ml。

上述方法中，将所述石墨烯薄膜在60～120℃的真空环境干燥。

上述方法中，所述有机溶剂包括乙醇、丙酮、正丙醇和异丙醇中的一种或多种的混合物。

上述方法中，所述导电基板包括镀覆有铟锡氧化物涂层的导电玻璃或者是不锈钢、钛、铜、铬、镍金属基板或者是镀覆钛、镍、铬、铜、金、银、铂导电涂层的绝缘基板，所述阳极包括铁片、铜片、铝片或镍片。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种使用上述方法制备的石墨烯场发射阴极。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

在本申请的具体实施方式中，由于加入金属可溶性无机盐，如铜、银、金和铂的可溶性无机盐，吸附于石墨烯表面的金属离子在石墨烯沉积过程中被还原成金属纳米颗粒，制备出均匀掺杂铜、银、金、铂颗粒的石墨烯薄膜，改善了石墨烯和衬底之间的电接触特性，提高了导电性能；另一方面，金属纳米颗粒提高了石墨烯表面的粗糙度，增强了石墨烯表面的局域电场强度，显著降低石墨烯场发射阴极的开启电场，提高场发射电流。与传统电泳沉积法相比，本发明不需要增加工艺步骤，就能够在石墨烯薄膜中均匀、高效地掺杂金属纳米颗粒，操作简单，成本低，可控性好。

附图说明

图1为本申请的石墨烯场发射阴极制备方法在一种实施方式中的流程图；

图2为本申请使用电流沉积法制备石墨烯场发射阴极的装置的结构示意图；

图3为本申请石墨烯场发射阴极和现有石墨烯场发射阴极的发射电流密度J随电场E的变化曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本申请的石墨烯场发射阴极制备方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤102：配制石墨烯电泳溶液。