[发明专利]一种在碳化硅基底上外延生长的冷阴极场发射材料及方法

摘要

本发明公开了一种在碳化硅基底上外延生长的冷阴极场发射材料及方法，这种垂直站立的石墨烯条带通过生长过程中的压力和温度来控制其密度和长宽比，通过延长生长时间来增加条带高度或长度。这种垂直站立的高长宽比的纳米石墨烯条带做为冷阴极材料使用时，其阈值开启电场低至0.765Vμm-1，场增强因子可达17140。这种垂直站立的石墨烯条带底端可以由数层石墨烯连接在一起，整个膜层内导电性良好，膜层大小可达2英寸到4英寸，即与碳化硅基底尺寸相当。光学显微镜和扫描电子显微图像显示这一冷阴极材料是厚度可达几十甚至上百个微米的碳膜，也即石墨烯条带的高度甚至可以达到几百个微米，而条带的宽度只有几个或几十个纳米。这一碳膜结构完整，可以像一张纸一样随意移动或携带。

主权项

一种在碳化硅基底上外延生长冷阴极场发射材料的方法，制备过程包括以下步骤：(1)先将SiC基底进行氢蚀预处理，以消除表面缺陷和损伤层，直到晶片表面台阶达原子级平整度；(2)将氢蚀后的SiC基底置于高温炉真空腔的石墨坩埚中；(3)调节高温炉真空腔中的真空度高于10‑3Pa，并同时升温到1000～2000℃之间；(4)向高温炉中供氢氩混合气，气体流速控制在10sccm～10000sccm之间，通过抽放气来控制工作压力在10‑3Pa～10atm之间；(5)控制生长时间和工作压力或控制抽放气的次数或频率，以控制纳米条带的长度；或者通过调节各个参数控制纳米条带的长宽比和条带密度；(6)将外延后的样品从高温炉中取出，在退火炉中加热到300℃～1000℃，退火0.5～200小时，并快速冷却，将碳膜从SiC基底剥离即得到所述冷阴极发射材料。