[发明专利]碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于场发射技术领域，具体的说是涉及一种碳纳米场发射阴极及 其制备方法和应用。

背景技术

电子发射源是微波管、X射线管、电子推进及电荷控制器件等真空电子 器件的核心部件，在通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域有重要应 用。场致电子发射原理是通过外部强电场来压抑发射表面势垒，使势垒的高 度降低，宽度变窄，使得物体内部自由电子通过隧道效应进入真空。场发射 阴极不需外加能量，能够实现瞬时启动，理论上可以达到很高的电流密度， 是一种很具发展潜力的阴极。

用场发射阴极作为电子源的真空电子器件，既可以实现抗辐射、耐高温、 高速度、高频率和大功率，同时又能实现小体积、高效率、集成化和低成本， 是性能十分理想的新型电子器件。

场发射阵列阴极自从发明以来，尝试了很多材料。近年来，碳纳米管作 为一种新型的碳纳米材料，具有巨大的长径比，优异的导电和导热性能，非 常稳定的机械化学特性，是一种最有前途的电子场发射材料，其纳米级尖端 上的电子可以在很低的电场作用下发生隧穿效应，形成极大的电流。相比传 统热阴极，碳纳米管阴极具有室温工作、快速响应、易于实现微型化等优势， 应用于真空电子器件可以优化结构，获得优异的功率和频率特性。

目前，碳纳米管阴极可以采用化学气相沉积制备。它是将含碳气体(如 甲烷，乙烯，乙炔等)和还原性气体(如氢气)通入高温炉内，含碳气体发 生热解，生成的碳原子在催化剂作用下形成碳纳米管。具体如国内专利CN 102386042A、CN101236872A等中形成碳纳米管方法。

电泳沉积法是另一种常用的方法，它是将碳纳米管、分散剂、电荷添加 剂等均匀分散于水或有机溶剂中，然后，碳纳米管在电场作用下向阳极或者 阴极移动，并沉积到衬底上。具体如国内专利CN102347180A、CN103346051 A和CN103545158A等中形成碳纳米管方法。

当前还公开了采用丝网印刷方法来形成碳纳米管层如国内专利CN 103258695A和直接采用浸渍法形成碳纳米管层如CN104538269A。

在这些现有公开的形成碳纳米管层的方法中，其通过控制相应的工艺以 实现对碳纳米管的长度和形貌、与基体附着力等控制或者通过对碳纳米管层 的掺杂或者改性处理以提高碳纳米管的发射性能。然而，这些方法制备的碳 纳米管随机取向依然较大，从而使得碳纳米管阴极虽然比传统腐蚀方法得到 的单针尖场发射体场发射性能有明显的提高，但是依然存在有效发射尖端 少，导致发射电流小，且电流在长期的发射过程中迅速衰减导致其发射稳定 性较差，还无法满足高性能器件应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种碳纳米场发射阴 极及其制备方法和其应用，以克服现有碳纳米场发射阴极存在有效发射尖端 少，导致发射电流小，发射稳定性较差，使其应用受到限制的技术问题。

为了实现上述发明目的，作为本发明的一方面，提供了一种碳纳米场发 射阴极，包括导电基板、形成于所述导电基板表面的碳纳米管层，在所述碳 纳米管层外表面还形成有二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。

作为本发明的另一方面，提供了一种碳纳米场发射阴极的制备方法，包 括如下步骤：

在导电基板表面形成碳纳米管层；

将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片分散于有机溶剂中，形成分散液，然后 将所述分散液在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片 层。

作为本发明的又一方面，本发明还提供了本发明碳纳米场发射阴极的应 用范围，其能够在微波器件、摄像和显示器件、传感器件、质谱分析用场离 子源、真空场效应晶体管及真空集成电路、新型发光光源、真空高压开关、 X射线管、太赫兹器件中的应用。

与现有技术相比，本发明碳纳米场发射阴极在碳纳米管层表面另形成 二硫化钼/二硫化钨纳米片层，使得二硫化钼/二硫化钨纳米片层中的二硫化 钼/二硫化钨纳米片材料通过原子间的相互作用，附着于碳纳米管的表面， 一方面，改变了碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒， 从而降低了碳纳米管的开启电场；另一方面，增加了大量有效的发射尖 端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电 流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性。