[发明专利]一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法

权利要求书

1.一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法，其特征在于，包括：在载能银离子轰击过的硅单晶片上用热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列并高温退火，然后利用微波氮、氢等离子体在常温下处理碳纳米管阵列，通过调节微波功率为150～200W、处理室气压为1.5kPa、处理时间为0.5～1小时来控制碳纳米管的形貌，然后将所得氮掺杂碳纳米管阵列在金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA源)中进行硅离子注入处理，最终获得氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列；所得氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列的阈值场平均仅有(1.10-1.32)V/μm，最大场发射电流密度平均可达(77.93-110.96)mA/cm²，在平均场发射电流密度高达31.31mA/cm²、50小时内的电流衰减仅有3.4％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将硅单晶片依次在去离子水和无水乙醇中各采用50W功率超声清洗5分钟的预处理过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将超声清洗后的硅单晶片置入体积比为4％的氢氟酸浸泡5分钟的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤(1)预处理硅单晶片：先将硅单晶片切成2cm×2cm小片，再依次在去离子水和无水乙醇中各采用50W功率超声清洗5分钟，然后将所述硅单晶片浸入到体积比为4％的氢氟酸中5分钟，之后取出晾干，再将得到的表面洁净的所述硅单晶片在金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA源)中进行载能银离子轰击预处理，轰击时，保持样品台匀速旋转，样品台偏压设定为-15kV，束流为10毫安，轰击时间为10分钟；

步骤(2)热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列并高温退火：将步骤(1)得到的硅单晶片置入磁控溅射装置中沉积厚度为5纳米的铁催化剂膜，然后将该硅单晶片置入高温石英管式炉中用常规的热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列，生长碳纳米管时，先将沉积有铁催化剂的硅单晶片在400sccm氢气、580摄氏度下热处理1小时，后在150sccm氨气、750摄氏度下处理10分钟，最后在87sccm乙炔、600sccm氢气、750摄氏度、常压下生长碳纳米管阵列，生长时间为30分钟，之后升高温度到1000摄氏度，在400sccm氢气、常压下处理生成的碳纳米管，处理时间为2小时；

步骤(3)氮、氢等离子体处理碳纳米管阵列：将步骤(2)得到的碳纳米管阵列置入微波等离子体系统中在常温下进行氮、氢等离子体处理，用于产生等离子体的气体是由氮气和氢气组成的混合气体，氮气、氢气的流量分别为5、10sccm，调节气压为1.5kPa，待气压稳定后，启动微波源，设定微波功率为150～200W，处理时间为0.5～1小时，该过程所得即为氮掺杂碳纳米管阵列；

步骤(4)硅离子注入氮掺杂碳纳米管阵列：将步骤(3)得到的氮掺杂碳纳米管阵列在MEVVA源中进行硅离子注入处理，注入时，硅离子入射方向与碳纳米管轴向呈10度的夹角，且保持样品台匀速旋转，样品台偏压设定为-20kV，束流设定为5毫安，注入时间为15分钟，即得氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列复合材料。

5.根据权利要求4所述的一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法，其特征在于，所用各种气体纯度均为5N。

6.根据权利要求1～5之一方法制备的氮掺杂碳化硅-纳米管阵列，其特征在于，所述氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列的阈值场平均为1.10-1.32V/μm，最大场发射电流密度平均为77.93-110.96mA/cm²。