[发明专利]一种提升石墨烯片-碳纳米管阵列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石墨烯片‑碳纳米管阵列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)利用银离子轰击预处理硅单晶片；(2)利用热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列并对其进行高温退火处理；(3)利用微波等离子体增强化学气相沉积法在碳纳米管阵列上制备薄层石墨烯片；(4)对所得石墨烯片‑碳纳米管阵列在室温下进行氮、氢等离子体处理。与现有技术相比，本方法所制备的氮掺杂石墨烯片‑碳纳米管阵列复合材料具有极低的工作电场、极高的电流密度和在大电流密度下具有良好的场发射稳定性，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石墨烯片-碳纳米管阵列复合材料并用于提升场发射性能的方法。

背景技术

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工作电场和较大的电流密度以及良好的稳定性。碳纳米管作为一种准一维纳米材料，其极大的长径比和优异的导电性使其成为了一种理想的场发射阴极材料，在新一代真空管、X射线管、场致发射平板显示器等真空场电子器件制备方面均展现出了不错的应用前景。但单纯碳纳米管在作为场发射阴极时，往往因为与基底接触不够好(接触面小)和易被焦耳热烧毁的特点而导致其最大场发射电流密度小于10mA/cm²，这就大大限制了其应用。此外，碳纳米管基场发射阴极的阈值电场(场发射电流密度达到10mA/cm²时所对应的外加电场强度)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要求。由于碳纳米管基场发射阴极的最大场发射电流密度与管基结合力和施加在碳纳米管上的静电场强度都有关系，我们就可以从增强管基结合和降低工作电场这两个方面入手来提升材料的场发射性能。其中，将碳纳米管与其它低维纳米材料进行复合是提升其场发射性能的一大突破口，其中与具有良好场发射稳定性的石墨烯片这种准二维纳米材料的复合是研究的重点。这种一维/二维复合材料能够同时兼具一维碳纳米管的大长径比和二维石墨烯片的良好场发射稳定性，使得所得复合材料的场发射性能得到大幅提升。在现有技术中，石墨烯片-碳纳米管复合材料的最大场发射电流密度可达49.60mA/cm²，阈值场可低至1.51V/μm，且具有很好的场发射稳定性，这些指标与原始碳纳米管相比均有了大幅的提升。但不可否认，石墨烯片-碳纳米管复合材料的场发射性能依然不够优异。首先，其最大场发射电流密度依然还有巨大的提升空间，这样才能更好的满足大电流密度场电子发射器件制备的需求，例如大电流密度场发射灯的制备；其次，在大场发射电流密度下实现稳定工作的目标也依然没有达成，这就对进一步提升以石墨烯片-碳纳米管复合材料为基的场发射阴极的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以石墨烯片-碳纳米管阵列为基的场发射阴极工作电场相对较高、场发射电流密度较小、大电流密度场发射时稳定性不好的不足，通过银离子轰击处理引入过渡层以加强碳纳米管与硅单晶片间的结合力，通过微波氮、氢等离子体处理，获得功函数低、场发射点数目多的氮掺杂石墨烯片-碳纳米管阵列复合材料，并最终获得一种兼具低工作电场、大场发射电流密度和在大电流密度下具有良好场发射稳定性的场发射阴极复合材料。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：