[发明专利]一种提升碳纳米管阵列-碳纳米管膜柔性复合材料场发射性能的方法

说明书

本发明公开了一种提升碳纳米管阵列‑碳纳米管膜柔性复合材料场发射性能的方法，属于纳米材料的制备和应用领域。包括以下制备工艺：(1)在碳纳米管膜上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、氢等离子体在室温下处理碳纳米管阵列。与现有技术相比，本方法所制备的氮掺杂碳纳米管阵列‑碳纳米管膜柔性复合材料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纳米管阵列-碳纳米管膜柔性复合材料并用于提升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。我们在前面的工作中就已经利用高温微波氢等离子体处理碳纳米管阵列，并获得了高性能的碳纳米管基场发射阴极材料(中国专利，专利号ZL201510153273.4)，所得处理后碳纳米管阵列的阈值场和最大场发射电流密度分别为1.39V/μm和74.74mA/cm²，且在平均场发射电流密度为22.86mA/cm²时显示出了较好的场发射稳定性。但是，我们也应该注意到，目前利用热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列时所用基底一般为金属片、单晶硅片、陶瓷片等硬质基底，在柔性基底上制备碳纳米管阵列并用于场电子发射的研究还较少，而柔性可穿戴电子器件的开发正是国家重点发展的课题，大力发展柔性场电子发射器件契合社会发展的迫切需要。除了柔性方面的需求，以碳纳米管为基的场发射阴极在降低工作电场、增加场发射电流密度、在高场发射电流密度下实现稳定工作等方面依然存在巨大的提升空间，这就对进一步提升材料的场发射性能提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的碳纳米管基的场发射阴极多以硬质材料为基底、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，利用银离子轰击预处理和微波氮、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纳米管阵列-碳纳米管膜柔性复合材料，并最终获得一种兼具柔性、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场发射阴极材料。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：