[发明专利]一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法

说明书

本发明公开了一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法，属于纳米材料的制备和应用领域。包括以下制备工艺：(1)对单晶硅片进行载能银离子轰击预处理；(2)用常规的热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列并高温退火；(3)在微波等离子体系统中用氮、氢等离子体室温下处理碳纳米管阵列；(4)以倾角注入的方式对碳纳米管进行载能硅离子轰击处理。与单纯碳纳米管阵列和现有技术相比，本方法所制备的氮掺杂碳化硅‑碳纳米管阵列具有极低的工作电场和极高的场发射电流密度以及在高场发射电流密度下具有极好的场发射稳定性，有很高的应用价值。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备与应用技术领域，具体涉及一种利用等离子体处理制备氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列并用于提升其场电子发射性能的方法。

背景技术

碳纳米管作为一种准一维纳米材料，具有良好的导电性和机械强度以及较高的化学惰性，在储能、晶体管、材料复合增强、探测器等诸多领域都展现出了不错的应用前景。同时，碳纳米管极大的长径比也使其成为了一种理想的场发射阴极材料，在真空场电子器件开发方面表现出了很好的应用潜力。场发射指的是阴极材料内部电子在外加强电场作用下，从材料表面逸出到真空中的过程，优异的场发射性能一般需要阴极具有较低的阈值场和较大的电流密度以及良好的稳定性，其中阈值场指的是场发射电流密度达到10mA/cm²时所对应的外加电场强度，10mA/cm²也被誉为是真空场电子器件常规应用时所需的最小电流密度。碳纳米管基场发射阴极相比硅纳米线、阵列石墨烯片、氧化锌纳米线等其它低维纳米材料，具有工作电场低和电流密度大的优点。但尽管如此，碳纳米管基场发射阴极的阈值电场一般要高于2.0V/μm，在实际应用中就相当于在间距为1毫米的阴阳极间施加2000V的高压，考虑到阴阳极间还需保持高度真空，这在技术上无疑是比较难实现器件化的。即使经过离子辐照、掺杂、化学修饰等处理后碳纳米管基场发射阴极的阈值场一般也高于1.5V/μm，同时也难以在电流密度高于10mA/cm²时实现长时间稳定的场电子发射，这就对降低工作电场和提升场发射电流密度提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的碳纳米管基场发射阴极工作电场相对较高、场发射电流密度较小、大电流密度场电子发射时稳定性不好的不足，利用载能硅离子注入和微波氮、氢等离子体处理，获得功函数低、场发射点数目多的氮掺杂碳化硅-碳纳米管阵列复合材料，并最终获得一种兼具超低工作电场、超大场发射电流密度和大电流密度下良好场发射稳定性的碳纳米管基场发射阴极材料。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：

一种提升碳纳米管阵列场发射性能的方法，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。

上述技术方案中，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。

上述技术方案中，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。

上述技术方案中，进一步公开提升碳纳米管阵列场发射性能方法的具体步骤如下：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超声(50W)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，该轰击预处理过程可用于提升碳纳米管与基底间的结合力；