[发明专利]高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法

说明书

本发明公布了一种高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法，即利用微纳操纵转移工艺，将碳纳米管阵列转移并固定在金属支撑体上，实现碳纳米管阵列与金属支撑体的高强度粘接，制备出具有高场发射电流密度及良好电流‑时间稳定性的碳纳米管阵列冷阴极。器件制备工艺及所需设备简单，可控性良好。构建过程包括：利用化学气相沉积方法制备多壁碳纳米管阵列；利用微纳操纵和胶黏剂转移并固定碳纳米管阵列至金属支撑体，得到拥有高电流密度及良好电流‑时间稳定性的碳纳米管阵列冷阴极。本发明通过提高碳纳米管阵列与基体的结合强度，实现高电流密度及良好电流‑时间稳定性的碳纳米管阵列场发射冷阴极制备，拓展了一维纳米材料的应用领域。

技术领域

一种高场发射电流密度碳纳米管阵列场发射冷阴极及其制备方法，涉及利用碳纳米管转移技术制备新器件及其场电子发射特性的研究，属于纳米材料与应用领域。

背景技术

场电子发射是一种量子过程，在足够高的外电场作用下，电子通过隧穿效应可以从固体表面逸出至真空能级，是低维纳米材料一个重要的电学性能。高性能的场发射器件是纳米材料场发射器件化应用的关键，包括较低的工作电场，高场发射电流密度和良好的时间稳定性，因此如何制备出更切近实际需要的场发射源就显得尤为重要。高性能的场发射器件在制备高性能X光源、新一代真空管、电子加速器的强流电子源、场发射电镜的电子枪、冷阴极场致发射平板显示器等方面都显示出了广阔的应用前景。

碳纳米管具有较小的直径和较长的轴向长度的结构特点，这种高长径比的形态有利于在尖端实现较大的电场增强效果，从而在较低电场条件下实现电子发射。同时，碳纳米管本身具有较好的力学特性，理论预测其抗拉强度范围在50～200GPa，大约为钢的100倍，密度却只有钢的1/6；弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍；并且具有很好的韧性。此外，碳纳米管具有良好的导电性和传热性，可以实现在较大电流通过状态下较小的温升。

单根碳纳米管的场发射电流密度可以达到10⁵A/cm²以上，此时碳纳米管的温度达到2000K以上。工作温度是室温时，单根碳纳米管的最大场发射电流密度也能达到10³A/cm²。按照碳纳米管阵列中纳米管10％的填充系数计算，取向碳纳米管阵列的场发射电流密度估算值也应该能够达到10²A/cm²。但是目前在实际测试和器件应用中，碳纳米管阵列的场发射电流密度通常为几十至几百mA/cm²，最大场发射电流密度仅为几A/cm²，远低于取向碳纳米管阵列场发射电流密度的估算值。这其中的关键问题是碳纳米管与基底的结合强度。在场发射过程中，当碳纳米管阵列处于较大局域电场环境下，外加电场引起的静电力大于碳纳米管与基底的结合强度，这会导致碳纳米管从基体拔出，从而限制了碳纳米管阵列所能达到的最大场发射电流密度，进而影响了高电流密度、高时间稳定性的碳纳米管场发射器件的研发。

发明内容

本发明公布了一种高场发射电流密度碳纳米管阵列场发射冷阴极及其制备方法，即利用胶黏剂与碳纳米管和钨针尖良好的粘结效果，实现碳纳米管与钨针尖的高强度粘接，高的结合强度可以使碳纳米管承受场发射过程中产生的高静电力作用，避免高静电力作用下碳纳米管从场发射支撑体脱出，实现器件中碳纳米管阵列场发射阴极的高场发射电流密度，且场发射电流密度同时具有良好的时间稳定性。

根据上述目的，本发明提供了一种高场发射电流密度碳纳米管冷阴极及其制备方法，该方法包括：

1模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列的制备

1.1将硅片和石英玻璃分别浸于丙酮、乙醇中超声清洗去除硅片表面的吸附颗粒物和油脂；