[发明专利]一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构及其制备方法，该阴极结构包括高导电的三维碳阵列，所述三维碳阵列表面沉积有金属钛纳米结构，形成核壳结构的钛/三维碳阵列；该阴极结构的制备方法，包括以下步骤：1）三维碳阵列制备；2）三维碳阵列表面离子刻蚀；3）在三维碳阵列上沉积金属钛层；4）金属钛/三维碳阵列真空退火。该阴极结构及其制备方法不仅有利于提高电子发射稳定性和发射电流密度，而且制备工艺简单，成本低。

技术领域

本发明涉及真空电子场发射领域，具体涉及一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构及其制备方法。

背景技术

真空电子发射是电子从固体表面射入真空的过程。与热电子发射不同，冷阴极电子发射无需加热，仅依靠电场的作用使其表面势垒高度降低，宽度变窄，当势垒的宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子通过隧道效应穿过或越过表面势垒而射入真空。冷阴极在X射线管、微波器件和光电器件广泛应用。

在冷阴极材料方面，碳纳米管（CNTS）、石墨烯（graphene）等因具有本质大的长径比或宽厚比以及展现的边缘电场增强效应，可有效降低开启和阈值电场，从而提高了其场发射性能。但从实际应用角度来看，CNTS和graphene尚有障碍需克服，如：（1）垂直站立衬底的低成本大面积可控生长；（2）发射点均匀性和稳定性；（3）电流密度尚需提高等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构及其制备方法，该阴极结构及其制备方法不仅有利于提高电子发射稳定性和发射电流密度，而且制备工艺简单，成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构，包括高导电的三维碳阵列，所述三维碳阵列表面沉积有金属钛纳米结构，形成核壳结构的钛/三维碳阵列。

本发明还提供了一种金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）三维碳阵列制备：将清洗干净的软木加工成长方体，干燥后将软木放入陶瓷舟内，然后将盛有软木的陶瓷舟置于真空度可控的管式炉中；先对管式炉抽真空，再向管式炉内通入高纯Ar气，然后开启加热电源，加热至设定温度后保温一定时间，随后使软木在Ar气保护下随炉冷却至室温，获得具有规则排列的三维碳阵列；

2）三维碳阵列表面离子刻蚀：将步骤1）得到的三维碳阵列固定在磁控溅射镀膜室的载具上，先对镀膜室抽真空，然后打开加热系统，升温至150~350℃，启动载具使其转动，再向镀膜室内通入Ar气，调整镀膜室内压强为2.6~3.3Pa，对三维碳阵列加400~700V负偏压，使三维碳阵列表面遭受Ar离子刻蚀；

3）在三维碳阵列上沉积金属钛层：保持步骤2）的工作温度和转速不变，调整镀膜室内压强为0.3~1 Pa，对三维碳阵列负偏压调整为0V，然后开启钛靶，在三维碳阵列上沉积金属钛层；

4）金属钛/三维碳阵列真空退火：调低镀膜室内真空度至设定值，将镀膜室内温度升温至500~700℃，使金属钛/三维碳阵列真空退火，得到金属钛修饰的三维碳阵列阴极结构。

进一步地，所述步骤1）中，将清洗干净的软木加工成20mm x 20mm x 5mm的长方体。

进一步地，所述步骤1）中，将长方体的软木在60~90℃下干燥4~6小时后，放入陶瓷舟内，然后将盛有软木的陶瓷舟置于真空度可控的管式炉中；先对管式炉抽真空至0.1pa以下，再向管式炉内通入流量为200~350 mL/min的高纯Ar气，然后开启加热电源，使加热速率控制在1℃/min以下，加热至900~1100℃后保温2个小时，随后使软木在Ar气保护下随炉冷却至室温，获得具有规则排列的三维碳阵列。