[发明专利]一种提升石墨烯片-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石墨烯片‑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)利用微波等离子体增强化学气相沉积法在碳纳米管膜上制备薄层石墨烯片；(3)在室温下对所得石墨烯片‑碳纳米管膜进行氮、氢等离子体处理；(4)对所得氮掺杂石墨烯片‑碳纳米管膜进行高温退火处理。与现有技术相比，本方法所制备的氮掺杂石墨烯片‑碳纳米管膜柔性复合材料具有低的工作电场、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-碳纳米管膜柔性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。石墨烯自2004年被发现以来，其优异的电学性能和独特的二维结构使其在诸多方面都展现出了不错的应用前景，其中就包括将其应用到真空场电子发射器件的开发中。与传统的具有优异场发射性能的碳纳米管基场发射阴极材料相比，二维石墨烯材料虽在工作电场方面相对较高，其开启场(电流密度达到10μA/cm²时所对应的外加电场强度)一般高于3.0V/μm，一般很难达到阈值场(电流密度达到10mA/cm²时所对应的外加电场强度)，其最大场发射电流密度也相对较低(一般小于5.0mA/cm²)，但其在场发射稳定性方面具有较大优势。现有的利用热化学气相沉积法制备的石墨烯片一般都是通过外延的方式在催化剂表面析出，最终平铺在基片上，这种形貌无疑将不利于石墨烯原子尺度的边缘在场发射过程中成为高效的场发射点，这就需要制备垂直于基片生长的石墨烯，即常说的石墨烯片。利用等离子增强化学气相沉积法无催化制备石墨烯片是目前最主流的方法，该方法具有低基底依赖性的特点，在硅片、金属片等许多硬质基底上都可以实现形貌可控制备。目前，随着对柔性可穿戴产品需求的日益增加，在柔性基底上可控制备石墨烯片就成为了必须实现的目标。我们在前面的工作中已经实现了在柔性碳纳米管薄膜上形貌可控制备石墨烯片(现有技术：中国专利，专利号ZL201510681497.2)，但所得材料的最低开启场依然高达1.78V/μm，最大场发射电流密度也仅有7.10mA/cm²，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，这就对进一步提升以石墨烯片-碳纳米管膜柔性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-碳纳米管膜柔性复合材料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、难以在大电流密度下实现稳定场发射的不足，通过银离子轰击预处理引入过渡层以加强石墨烯片与碳纳米管膜之间的结合力，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-碳纳米管膜柔性复合材料，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：