[发明专利]一种提高场发射性能的N掺杂SiC纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备与应用技术领域，涉及利用NH₃对SiC纳米线进行掺氮，以提高其场发射性能的方法。

背景技术

近些年，开发具有实际应用价值的场发射阴极材料一直是研究的热点。SiC纳米线是一种极具应用潜力的场发射冷阴极材料，在新一代真空管、电镜电子枪及场发射平板显示等领域具有良好的应用前景。场发射是电子克服材料表面的势垒逸出到真空中的过程，低的开启电场(场发射电流密度为10μA/cm²所需的电场)和阈值电场(场发射电流密度为10mA/cm²所需的电场)、良好的场发射稳定性等是体现场电子发射性能优劣的重要指标。SiC纳米线相比其他场发射材料，具有开启电场低、场发射电流密度大等优点。但是，目前所得的纯SiC纳米线的开启电场一般都大于3V/μm(MengA.L.,ZhangM.,ZhangJ.L.,LiZ.J..Cryst.Eng.Comn.2012,14:6755.)，相当于在阴阳级的间距在1mm时，需要3000V的高压才能使阴极材料开启场电子发射，要获得大的场发射电流，就需要更大的工作电压了。因此，为使SiC纳米线能真正应用于场发射阴极材料，需要通过一定的途径进一步降低其工作电压。相比于特殊形貌及材料复合对SiC纳米线场发射性能的改善,元素掺杂普遍被认为是一种更加简单易行的途径。通过对SiC进行n型和p型掺杂可以改变SiC能带结构及载流子的传输机制，从而提高其场发射性能。对于SiC的p型掺杂，主要的掺杂元素是B或Al。Zhang等人采用聚硅氮烷为原料，Al(NO₃)₃作为掺杂剂,在1550℃制备了Al掺杂SiC纳米线,并测得其开启电场为1V/μm(ZhangX.N.,ChenY.Q.,XieZ.P.,Yang,W.Y..J.Phys.Chem.C2010,114:8251.)；杨为佑等人采用聚硅硼氮烷为原料，在气氛烧结炉内升温至1550℃，实现原位B掺杂SiC纳米线的制备，使SiC纳米线的高温电子发射稳定性得到了有效提高(国家发明专利，公开申请号：CN103928276A,专利名为：一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法)。对于SiC的n型掺杂，主要的掺杂元素为N。Chen等人以N₂为N源，在1500℃制备了N掺杂SiC纳米线，测得开启电场的范围为1.90～2.65V/μm(ChenS.L.,YingP.Z.,WangL.,WeiG.D.,ZhengJ.J.,GaoF.M.,Su,S.B.,YangW.Y..J.Mater.Chem.C2013,1:4779.)。但以NH₃为氮源实现N掺杂SiC纳米线的制备及对其场发射性能改善的研究，未有文献报道。

本发明提出了一种工艺简单，且行之有效的以NH₃为氮掺杂剂，在较低温度下实现对SiC纳米线的N掺杂。场发射性能测试结果表明，制得的N掺杂SiC纳米线具有更低的开启电场(0.8～1.05V/μm)和阈值电场(4～4.7V/μm)，对促进其实际应用于场发射冷阴极的制造，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高SiC纳米线场发射性能的方法：N掺杂SiC纳米线的方法。

本发明公开的以NH₃为氮掺杂剂实现提高场发射性能的N掺杂SiC纳米线的制备方法，包括以下步骤：

(1)将SiC纳米线置于管式炉中，对管式炉抽真空至100Pa，通入纯度为99.8％的氨气至炉内气压约为103kPa；

(2)在步骤(1)的基础上，启动加热装置，以10℃/min的升温速率将炉温升至700～900℃，保温160～220min，对SiC纳米线进行掺氮处理；

(3)在步骤(2)的基础上，关闭通气阀门，停止通入氨气，关闭电源，随炉冷却至室温，实现提高场发射性能的N掺杂SiC纳米线的制备；

(4)在超高真空场发射测试系统中，以步骤(3)得到的N掺杂SiC纳米线作为阴极，直径为3mm的铜棒为阳极，调整阴阳极之间的距离为500μm,场发射电流的大小通过调整负载电压的大小来调节，负载电压控制在0～3kV之间，超高真空场发射测试系统的真空度为1.0×10^-6～2.0×10^–6Pa。

本发明所公开的以NH₃为氮掺杂剂对SiC纳米线进行掺N处理以提高其场发射性能的方法，与现有技术相比，其优越性在于：