[发明专利]一种石墨烯基复合材料及其制备方法、应用

说明书

本发明适用于石墨烯材料技术领域，提供了一种石墨烯基复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供硅纳米孔柱阵列；在硅纳米孔柱阵列上沉积催化剂镍纳米晶；以沉积有镍纳米晶的硅纳米孔柱阵列作为基底，以甲烷作为碳源，以氩气和氢气的混合气体作为载气，通过化学气相沉积法得到石墨烯基复合材料，所述复合材料中石墨烯平行基底生长。本发明通过在硅纳米孔柱阵列上沉积催化剂纳米级金属镍，生长平行于基底的石墨烯纳米片，克服垂直基底的结构不稳定，与石墨烯垂直基底的结构相比，在电子发射过程中极大的增强了发射稳定性，同时石墨烯的横向纳米尺度具有比较高的周长面积比，边沿发射点的数量较多，保证了材料的场发射密度。

技术领域

本发明属于石墨烯材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯基复合材料及其制备方法、应用。

背景技术

碳纳米管因为具有稳定的电子发射、低开启场强和大的正向发射电流密度，被认为是冷阴极制备的优选材料，然而，碳纳米管冷阴极材料的广泛应用仍然受到的一些固有问题的困扰，例如，碳纳米管的管状结构将电子发射限制在顶尖位置，因此对于层状碳纳米管薄膜会表现出不均匀的发射，此外，碳纳米管之间的静电屏蔽不可忽略，因此开发其它碳阴极材料极具科学性和必要性。

作为替代碳纳米管最有前途的冷阴极材料，近年来石墨烯受到越来越多的关注。与碳纳米管相比，石墨烯具有更高的纵横比（横向尺寸与厚度比）、独特的电学性能、高的透明度、固有的柔性结构和良好的机械性能，比碳纳米管更适合做柔性冷阴极材料，此外，石墨烯的边缘缺陷点可以作为有源场发射点增强石墨烯的电场发射强度，这使得石墨烯在低电压电子隧穿中的应用更优于碳纳米管。

为了充分利用石墨烯边缘缺陷点的高电子发射特性，现有技术中采用石墨烯垂直于基板的结构来最大限度利用石墨烯场发射边沿点（FEES），获得高强度的电子发射，例如，通过微波等离子体增强化学气相沉积法制备少层石墨烯使其垂直于基板排列；通过丝网印刷石墨烯薄膜使其垂直于基底或者构建刀片状电子发射体。然而结合参考文献，这些垂直放置的石墨烯在稍高的电压下，发射电流就不太稳定，并且多次循环加压之后，材料的发射电流密度会逐渐减小：典型的以Alexander Malesevic小组制备的垂直基底生长的石墨烯为例（Malesevic A, Kemps R, Vanhulsel A, et al., Field emission fromvertically aligned few-layer graphene[J]. J Appl Phys, 2008, 104: 084301-084301-084305），经过五个循环，不仅发射电流密度发生了明显的衰减，并且场增强因子的浮动范围也较大，在3000~5000之间。

因此，如何在保持高发射电流密度的情况下，提高电子发射的稳定性是石墨烯基冷阴极材料在发展过程中需要解决的关键问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种石墨烯基复合材料的制备方法，旨在解决上述背景技术中存在的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种石墨烯基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

提供硅纳米孔柱阵列；

在硅纳米孔柱阵列上沉积催化剂镍纳米晶；

以沉积有镍纳米晶的硅纳米孔柱阵列作为基底，以甲烷作为碳源，以氩气和氢气的混合气体作为载气，通过化学气相沉积法得到石墨烯基复合材料，所述复合材料中石墨烯平行基底生长。

优选地，所述硅纳米孔柱阵列采用化学水热腐蚀法制备。

优选地，所述硅纳米孔柱阵列采用化学水热腐蚀法制备的步骤具体包括：

利用丙酮去除硅片表面的有机污染物，再进行清洗；

将 Fe(NO₃)₃和HF水溶液构成的腐蚀液放入装有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，将硅片夹在聚四氟乙烯固定支架中后放入高压釜，再将高压釜放入加热炉中升温，再经过保温、降温，得到所述硅纳米孔柱阵列。