[发明专利]一种纳米碳片‑硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米碳片‑硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，属于纳米材料的制备和应用领域。其主要包括以下制备工艺以用金属催化腐蚀法在洁净硅单晶片上制备的硅纳米线阵列为基底；在基底上利用微波等离子体增强化学气相沉积法生长纳米尺度的碳片；最后以所获得的纳米碳片‑硅纳米线复合结构为阴极组装场电子发射器。本方法所制备的纳米碳片‑硅纳米线复合结构，碳片直径大多为60‑100纳米，边缘层数一般为2‑5层，在硅纳米线表面密集分布。纳米碳片‑硅纳米线复合结构作为场发射阴极材料时具有比单纯硅纳米线阵列更低的开启场和更大的场发射电流密度，有很高的应用价值。

主权项

一种提升场发射性能的纳米碳片‑硅纳米线复合结构材料的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：（1）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：首先将单晶硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中在50W下各超声清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟；然后将所得硅晶片先后置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟、体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡45分钟，得硅纳米线阵列；上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L；（2）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：在步骤（1）的基础上，将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，将反应室真空抽至1.0×10‑3Pa后通入10sccm氢气，氢气纯度为5N，调节气压为1kPa，用自制石墨加热器加热样品台至温度稳定为1073K，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入4sccm的乙炔气，乙炔气纯度为5N，再次调节气压为1kPa，即开始碳片的生长，生长时间为4小时，最终所得即为纳米碳片‑硅纳米线复合结构材料，将其作为场发射阴极材料组装场电子发射器件；所制备的纳米碳片‑硅纳米线复合结构材料由硅纳米线上沉积边缘层数为2‑5层的、密集分布的纳米碳片组成；其中硅纳米线上沉积纳米碳片的直径为60‑100纳米；所制备的纳米碳片‑硅纳米线复合结构材料的开启电场低至3.01V/μm；所制备的纳米碳片‑硅纳米线复合结构材料的最大场发射电流密度可达3.98mA/cm2，是单纯硅纳米线阵列的3.37倍。