[发明专利]一种柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极及其制备方法，ZnO@TiN核壳结构阵列阴极包括碳布，碳布两侧面均涂覆有ZnO种子层，两侧面的ZnO种子层上均设有ZnO纳米棒阵列，其中一侧面的ZnO纳米棒阵列上沉积有TiN，以形成核壳结构阵列。其制备方法包括：（1）采用溶胶凝胶法在碳布两侧面上制备ZnO种子层；（2）采用液相法在两侧面的ZnO种子层上制备ZnO纳米棒阵列；（3）采用磁控溅射法在一侧面的ZnO纳米棒阵列上沉积TiN，从而制备得到ZnO@TiN核壳结构阵列阴极。该ZnO@TiN核壳结构阵列阴极开启和阈值电场低，发射电流密度大，电子输运和传导性好，可应用于真空场发射电子源器件。

技术领域

本发明属于冷阴极电子发射材料领域，具体涉及一种柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极及其制备方法。

背景技术

场致发射即冷阴极电子发射，是依靠外电场的作用使材料表面势垒高度降低、宽度变窄，电子通过量子力学的隧道效应穿过或越过表面势垒而射入真空的现象。冷阴极电子场发射材料在真空微电子器件（如：X射线管、电子源、微波管等）中应用广泛。满足这些器件要求的冷阴极材料一般具有低的功函数（φ）和高的场增强因子（β）。一维氧化物纳米结构阵列，如：ZnO纳米线、纳米棒、纳米带等，因具有较大的长径比和小的尖端曲率半径，展现出较好的场电子发射性能。在实际应用中，该类材料本质的半导体特性所带来的电子输运能力低、阈值电压高、场发射电流密度小等问题有待解决。依据真空场发射理论，功函数是与材料自身相关的物理量，场增强因子主要依赖于发射体的形貌，因此场发射性能的提高可通过对该种材料的结构和形貌设计实现。另一方面，过渡金属氮化物如TiN（M.K.Faruque, K.M.Darkwa, Z.G. Xu, D.Kumar, Appl. Surf. Sci. 260(2012) 36-41）、LaB₆（J.Q.Xu,G.H.Hou,H.Q.Li,T.Y.Zhai,et al., NPG Asia Materials, 5(2013) 1-5）具有功函数低、电子输运性能优的特点，但是其一维纳米结构制备需要高温工艺，其衬底选择和规模制备受到约束。现有的一维ZnO纳米冷阴极电子发射体存在的主要问题：1、材料本质的功函数高导致的开启和阈值电场高；2、饱和发射电流密度小；3、电子输运和热传导性差，在焦耳热的作用下发射体尖端极易烧损。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开启和阈值电场低、发射电流密度大、电子输运和传导性好的柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极，包括碳布，所述碳布两侧面均涂覆有ZnO种子层，两侧面的ZnO种子层上均设有ZnO纳米棒阵列，其中一侧面的ZnO纳米棒阵列上沉积有TiN，以形成核壳结构阵列。

进一步地，所述柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极应用于真空场发射电子源器件。

本发明还提供了一种柔性ZnO@TiN核壳结构阵列阴极的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用溶胶凝胶法在碳布两侧面上制备ZnO种子层；

（2）采用液相法在两侧面的ZnO种子层上制备ZnO纳米棒阵列；

（3）采用磁控溅射法在一侧面的ZnO纳米棒阵列上沉积TiN，从而制备得到ZnO@TiN核壳结构阵列阴极。

进一步地，所述步骤（1）包括以下步骤：

（101）将1.4~2.8 g的Zn(CH₃COOH)₂溶于35~80 mL无水乙醇中，室温搅拌20~40 min，再缓慢滴入0.8~1.5 mL乙醇胺；将所得溶液放入干燥箱中，在50~80 ℃下陈化6~14 h形成溶胶；