[发明专利]碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用

摘要

本发明涉及场发射技术领域，提供一种碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用，所述碳纳米场发射阴极，包括基板、水平涂覆于所述基板上的石墨烯层以及位于所述石墨烯层上的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。本发明中，各碳纳米管的根部与石墨烯层共价连接，界面电阻极低，使得该碳纳米结构具有优异的导电性，从而明显降低阴极的开启电场，在场发射过程中产生的热量小，使得阴极可以在更高的电流下稳定发射，大大提高了阴极的工作电流；而且，这种三维共价结构具有优异的热导性，提高了阴极的发射稳定性。

主权项

1.一种碳纳米场发射阴极，包括基板、水平涂覆于所述基板上的石墨烯层以及位于所述石墨烯层上的碳纳米管阵列，其特征在于：所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。

2.根据权利要求1所述的碳纳米场发射阴极，其特征在于：所述基板为钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂金属基板；或者，所述基板为涂覆有钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂金属导电层的绝缘片。

3.一种权利要求1或2所述碳纳米场发射阴极的制造方法，包括以下步骤：

预备基板，在所述基板上水平涂覆石墨烯层；

在所述石墨烯层上生长垂直取向的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。

4.根据权利要求3所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于，在所述基板上水平涂覆石墨烯层的步骤，包括：

采用化学沉积法将所述石墨烯层生长于铜片上，并将生长于所述铜片上的所述石墨烯层转移至所述基板上。

5.根据权利要求4所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于，采用化学气相沉积法将所述石墨烯层生长于铜片上的步骤，包括：

将所述铜片置于惰性气体保护气氛下的反应腔室内，将所述铜片及所述反应腔室的温度升至950℃‑1050℃后保温；

向所述反应腔室内通入有机碳氢化合物气体和氢气的混合气体，使得所述有机碳氢化合物气体在所述铜片上发生反应生长水平取向的石墨烯，并在所述惰性气体的保护下将生长有石墨烯层的铜片及反应腔室的温度冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于：所述有机碳氢化合物气体是甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种，所述氢气和有机碳氢化合物气体流量的比值为5‑10。

7.根据权利要求4或5或6所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于，将生长于所述铜片上的所述石墨烯层转移至所述基板上的步骤，包括：

将聚甲基丙烯酸甲酯溶液涂覆于所述具有石墨烯层的铜片上，将所述铜片浸入FeCl₃溶液中刻蚀溶解所述铜片；

将涂覆有聚甲基丙烯酸甲酯溶液的石墨烯层转移至所述基板上，并采用丙酮溶剂溶解所述石墨烯层表面的聚甲基丙烯酸甲酯溶液。

8.根据权利要求3或4或5或6所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于，在所述石墨烯层上生长垂直取向的碳纳米管阵列的步骤，包括：

于所述石墨烯层上形成若干供碳纳米管生长的缺陷位，在若干所述缺陷位内沉积催化剂；

将基板及覆盖于所述基板上且沉积了催化剂的石墨烯层放置于反应腔室中，将所述基板及所述反应腔室的温度升至700℃‑800℃后保温，向所述反应腔室内通入氢气；

当所述催化剂被还原为金属颗粒后，通入有机碳氢化合物气体，在等离子体环境下垂直生长碳纳米管。

9.根据权利要求8所述的碳纳米场发射阴极的制造方法，其特征在于：所述有机碳氢化合物气体是甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种，所述氢气和有机碳氢化合物气体流量的比值为5‑20。

10.碳纳米场发射阴极在场发射显示器件、X射线管、太赫兹器件中的应用，其特征在于，所述碳纳米场发射阴极为权利要求1或2所述的碳纳米场发射阴极或者为由权利要求3至9任一项所述制造方法制造的所述碳纳米场发射阴极。