[发明专利]一种纳米碳片-碳纳米管复合结构场发射阴极的制备方法

说明书

本发明得到国家自然科学基金—青年基金项目资助（项目编号51302187）。得到天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目资助（项目编号14JCZDJC32100）。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备与应用技术领域，涉及利用等离子体增强化学气相沉积法以碳纳米管为基制备一种具有独特结构的复合纳米材料，并将之用于场电子发射器件的制备方法。

背景技术

碳纳米管作为一种主要由SP²杂化碳原子组成的一维纳米材料，具有很好的机械和电学性能，在军事、民用等诸多领域都展现出了很好的应用前景。同时，由于其极大的长径比，碳纳米管也被认为是一种高性能的场发射阴极材料，在新一代真空管、X射线管、电镜电子枪、场致发射平板显示等领域都具有潜在的应用前景。场电子发射是一个电子隧穿材料表面势垒并逸出到真空中的过程，其与材料表面功函数、材料导电性、材料几何外形、材料表面形态等都有一定关联。对以碳纳米管为基的场发射阴极而言，降低功函数、改变其几何外形、改变其表面形态等都是提升其场发射性能的有效途径。其中通过改变碳纳米管表面形态来提升其场发射性能也是研究的热点，比较常见的就是通过一定手段增加其有效场发射点的数目。电子能够克服场发射点处的势垒逸出，需要该场发射点处有足够大的局域电场强度，这就对场发射点的形貌提出了要求。一般而言，尖锐的几何外形更利于在尖端处形成大的局域电场，从而使电子克服势垒逸出。对于一根完好的碳纳米管来说，场电子发射一般仅仅发生在其曲率半径小的尖端（更尖锐），在其它地方如管壁等平坦区域，场电子发射则由于局域电场强度不够而变得极为困难，这也是现今以碳纳米管为基的场电子发射器开启场较大（一般大于1.5 V/μm）的主要原因。由此可见，若能通过一定的手段使得碳纳米管除了尖端之外，还有更多新的有效场发射点，就可以在一定程度上降低碳纳米管的开启场和阈值场，并大幅增加其场发射电流密度。

以碳纳米管为基的场发射阴极由于其一维的特点，散热表面相对石墨烯这种二维材料要小，在场发射过程中更容易受到焦耳热的影响，特别是在大电流密度场发射情况下，一部分有效场发射点会因为焦耳热的大量积累而烧毁，这就会在一定程度上降低阴极材料的场电子发射能力，即碳纳米管相比于石墨烯这种二维纳米材料，其场发射稳定性较差，这在实际应用中将大幅缩短碳纳米管基场发射阴极的使用寿命。提升碳纳米管场发射稳定性的方法有许多，比如可以在其表面覆盖一层无定型碳或是类金刚石膜，但这种方法同样会因为碳纳米管的变粗导致长径比减小，进而降低其场电子发射能力，使得以碳纳米管为基的场发射阴极需要在更高的工作电压下运行，这种以增加工作电压为代价来提升碳纳米管场发射稳定性的方法是得不偿失的。材料复合就是一种较好的方法，比如将石墨烯与碳纳米管复合，将石墨烯高场发射稳定性和碳纳米管大长径比的优势有机融合，就能制备出高性能的场发射阴极材料。本发明正是以此为思路，将密集分布的、具有锋锐边缘的纳米碳片与碳纳米管有机结合构成复合材料，新材料既保留了碳纳米管大长径比的几何特点，也通过生长碳片引入了大量高效率的场发射点，从而使所制备的阴极材料具有低的开启场和阈值场、更大的场发射电流密度以及良好的场发射稳定性，大幅提升了其应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有以碳纳米管为基的场发射阴极开启场和阈值场相对较高、场发射电流密度相对较小、场发射稳定性不好的不足，利用一种简单的等离子体增强化学气相沉积工艺在碳纳米管上生长密集分布的纳米碳片，使得碳纳米管上的场发射点数目大量增加，从而提供一种开启场和阈值场低、场发射电流密度大、场发射稳定性好的碳纳米管基复合场发射阴极材料。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：

一种纳米碳片-碳纳米管复合结构场发射阴极的制备方法，其特征在于在用热化学气相沉积法制备的碳纳米管阵列上利用微波等离子体增强化学气相沉积法生长纳米尺度的碳片，调节微波功率为150-180W、基底温度为1073K、反应室气压为1kPa、在高碳源气浓度下沉积3-5小时，最终获得不同形貌的纳米碳片-碳纳米管复合结构场发射阴极材料；所述的高碳源气浓度指的是氢气流量为10sccm时，对应的乙炔流量为6-10sccm；所述的纳米碳片指的是直径大多为30-100纳米、边缘层数一般为2-5层的密集分布的碳片。

本发明所述的纳米碳片-碳纳米管复合结构场发射阴极的制备方法，制备碳纳米管阵列的方法可以是传统的热化学气相沉积法，也可以是任意的可用于制备阵列碳纳米管的方法。