[发明专利]一种基于金属离子注入的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于金属离子注入的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)铜箔表面进行去氧化层和去油污清洗；(2)利用真空高温管式炉设备在铜箔衬底上热氧化制备氧化铜纳米线阵列基体材料；(3)利用金属蒸汽真空弧源将载能金属离子注入到氧化铜纳米线阵列基体材料表面，获得场发射性能增强的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料。本发明基于金属蒸汽真空弧源金属离子注入技术制备的氧化铜纳米线阵列为场发射阴极材料的基材，具有稳定性好、易制备、成本低、无污染、可重复性好和易于产业化生产的特点。

技术领域

本发明属于场发射阴极材料领域，涉及一种基于金属离子注入的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料的制备方法。

背景技术

场电子发射器件具有低能耗、响应快和寿命长等优点，在很多不同的真空电子器件中有着非常重要的应用，比如：X射线源，质谱仪，场发射显示器，微波电子管等。近年来，由于一维纳米材料的尖端能够有效增强局域场，因此，利用其作为场发射阴极材料成为一种获得高亮度电子源和制备场发射显示器的有效方法。

在众多一维纳米结构材料中，碳纳米管阵列因其大的长径比、独特的电学性能和化学稳定性能，使其成为场发射阴极的研究热点。除了碳纳米管之外，在其他不同类型的一维纳米结构材料中，半导体纳米线因高长径比和结晶性好等优点，已经引起了科研人员的极大关注，有望替代碳纳米管阵列用作场发射阴极材料。据报道显示，一些半导体纳米线材料已经获得了较大且稳定的场发射电流。

作为p型半导体，氧化铜纳米线是一种在理论上具有很大发展潜力的场发射阴极材料。然而，据现有技术记载，大多数合成氧化铜纳米线的方法比较复杂，且利用其作为场发射阴极时开启场较高、场发射电流较低以及场发射稳定性较差,这些因素限制了氧化铜纳米线阵列作为场发射阴极的应用。因此，突破以上技术难题成为制备高性能的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于金属离子注入的场发射性能增强的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料的制备方法，本发明提供的场发射阴极材料可应用于真空电子器件中。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于金属离子注入的氧化铜纳米线场阵列场发射阴极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)铜箔表面进行去氧化层和去油污清洗；(2)利用真空高温管式炉设备在铜箔衬底上热氧化制备氧化铜纳米线阵列基体材料，(3)利用金属蒸汽真空弧源将载能金属离子注入到所述氧化铜纳米线阵列基体材料表面，获得场发射性能增强的氧化铜纳米线阵列场发射阴极材料。

进一步地，所述步骤(1)中铜箔为高纯紫铜箔(纯度达99.9％)，厚度为0.02mm，铜箔的预处理是获得高质量氧化铜纳米线阵列的关键，分为盐酸处理去衬底表面氧化层、超声波去离子水清洗去表面杂质、超声波丙酮处理去表面油污、超声波热无水乙醇表面脱水处理4个顺序步骤；

进一步地，所述步骤(2)中在真空高温管式炉中进行热氧化的条件为：温度为400～600℃，氧气流量为40～200ml/min，氧化时间为30～120min。

进一步地，所述步骤(2)中制备的氧化铜纳米线呈锥形，生长方向为垂直于铜箔基体，纳米线顶端直径为15～100nm，纳米线底部直径为100～200nm，纳米线长度5～30μm,纳米线密度4.0×10⁸～1.3×10⁹/cm²。

进一步地，所述步骤(3)中载能金属离子，其是由金属蒸汽真空弧离子源产生，引出直径离子束流0～2mA,单电荷离子能量0～80keV，离子种类为大多数金属离子，注入剂量1.0×10¹⁵～1.0×10¹⁸ions/cm²。