專利名稱：一維納米材料方向及形狀調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于納米材料的修整方法，特別是關(guān)于一維納米材料的形狀的調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
納米材料是一類具有特殊電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)或化學(xué)性質(zhì)的新型材料，在介觀領(lǐng)域及納米器件研制方面有極其重要的應(yīng)用前景。一維納米材料是在兩維方向上為納米尺度，長度方向上比上述兩維方向上的尺度大得多的納米材料。目前應(yīng)用較廣的是碳納米管，碳納米線等。典型的碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長度一般為微米級(jí)。
碳納米管具有極優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小，其局部電場愈集中)，所以碳納米管是已知的最好的場發(fā)射材料，它具有極低的場發(fā)射電壓(小于100伏)，可傳輸極大的電流密度，并且電流極穩(wěn)定，因而非常適合做場發(fā)射顯示器的發(fā)射元件。
但是，目前碳納米管的生長方法，包括電弧放電法、激光蒸發(fā)法以及化學(xué)氣相沉積法等等，所制造出來的碳納米管直接用作場發(fā)射材料均具有一定缺陷。例如粉體催化劑生長的碳納米管長短不一，方向雜亂無序，且容易纏繞在一起，直接作為場發(fā)射材料均勻性較差，發(fā)射點(diǎn)少因而發(fā)射電流密度難以提高，限制了碳納米管的場發(fā)射效率；化學(xué)氣相沉積法生成的碳納米管陣列雖然垂直有序，高度一致，但過高的密度會(huì)引起碳納米管間強(qiáng)烈的電場屏蔽效應(yīng)，尖端亦可能殘留有起催化作用的金屬顆粒，影響電子發(fā)射。
請參見圖10，2001年4月25日中國專利公開第CN1292354A號(hào)揭露一種碳納米管開尖端和凈化碳納米管的方法，先將碳納米管112在襯底110上垂直取向，再調(diào)整支架146和激光器144的位置，使得激光槍142在預(yù)定高度且平行襯底112表面方向上發(fā)射激光束140，進(jìn)而截?cái)嗵技{米管112，該方法需精確調(diào)整激光束140發(fā)射點(diǎn)的位置，對于高度不同的待修整的碳納米管而言，需分別調(diào)整，增加困難；并且，截?cái)嗪蟮奶技{米管間距非常小，密度大，碳納米管之間存在強(qiáng)烈的電場屏蔽效應(yīng)，提高了整體場發(fā)射的電場閥值。
其它一維納米材料，如納米線、納米棒作為場發(fā)射材料時(shí)也面臨類似問題，因此，提供一種步驟簡單、容易實(shí)現(xiàn)的方法來提高碳納米管、納米線、納米棒等一維納米材料的場發(fā)射性能實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)整一維納米材料形狀和方向，進(jìn)而提高其場發(fā)射性能的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種調(diào)整一維納米材料形狀和方向的方法，包括下列步驟提供一基板，該基板上含有垂直取向的一維納米材料陣列；在一定氣體壓力下用激光束沿選定方向照射一維納米材料，使基板上的一維納米材料陣列頂端形成具有錐形的尖端，并且該尖端朝向激光束射來的方向。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)步驟簡單，容易形成明顯尖端，減弱電場屏蔽效應(yīng)，同時(shí)可清潔一維納米材料陣列的表面，達(dá)到降低場發(fā)射電壓閾值的目的。

圖1是本發(fā)明方法用于調(diào)整碳納米管形狀和方向的流程圖。
圖2是本發(fā)明方法第一實(shí)施例用于調(diào)整碳納米管形狀和方向初始時(shí)碳納米管陣列的示意圖。
圖3是本發(fā)明方法第一實(shí)施例用于調(diào)整碳納米管形狀和方向中激光束照射碳納米管陣列的示意圖。
圖4是本發(fā)明方法第一實(shí)施例用于調(diào)整碳納米管形狀和方向中照射后得到的碳納米管陣列形狀的豎截面示意圖。
圖5是本發(fā)明方法第二實(shí)施例用激光束照射碳納米管陣列的示意圖。
圖6是本發(fā)明方法第二實(shí)施例激光束照射后得到的碳納米管陣列形狀的豎截面示意圖。
圖7是本發(fā)明方法第一實(shí)施例激光照射前的碳納米管陣列SEM圖。
圖8是本發(fā)明方法第一實(shí)施例激光照射后的碳納米管陣列SEM圖。
圖9是本發(fā)明方法第二實(shí)施例激光照射后的碳納米管陣列SEM圖。
圖10是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管截?cái)喾椒ǖ氖疽鈭D。
具體實(shí)施方式
請參見圖1，是本發(fā)明方法具體用于調(diào)整碳納米管形狀和方向的流程圖，包括下列步驟步驟1是提供一基板，該基板可以是玻璃、硅或金屬基板，用以支持碳納米管；步驟2是將碳納米管置于該基板上，其中碳納米管可以直接在玻璃、硅或金屬基板上生長，通常用化學(xué)氣相沉積法，或者是將制備好的碳納米管陣列移植到該基板上；步驟3是提供激光束發(fā)射源，準(zhǔn)備用于發(fā)射激光束照射碳納米管陣列；步驟4是調(diào)整激光束發(fā)射源的發(fā)射角度，即調(diào)整激光束發(fā)射源相對碳納米管陣列基板的夾角；步驟5是開啟激光束發(fā)射源發(fā)射激光照射碳納米管上表面，重復(fù)照射，直至碳納米管陣列形狀調(diào)整到所需要的形狀為止，防止過強(qiáng)的激光束損壞碳納米管和基板之間的穩(wěn)固連接，可以調(diào)整激光強(qiáng)度和激光脈沖；步驟6是關(guān)閉激光發(fā)射源；下面結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明方法具體過程。
請一并參見圖2、圖3以及圖4，是本發(fā)明方法第一實(shí)施例具體調(diào)整過程。
本實(shí)施例以碳納米管陣列為例。首先，提供基板10并在基板10上直接生長碳納米管陣列12或通過移植方法將碳納米管陣列12移植到基板10上，其中，基板的材料可以為玻璃、硅或金屬及其氧化物，初始時(shí)碳納米管陣列如圖2所示，該碳納米管陣列12包含有許多碳納米管(圖未標(biāo))垂直于基板10，該碳納米管可通過化學(xué)氣相沉積法直接在基板10上生長，也可以先制備好以后再移植到基板10上，通常制備出來的碳納米管陣列上表面有一薄層取向雜亂，直徑不均一且形態(tài)較差的碳納米管，薄層的厚度約為2微米或更薄，陣列頂部亦可能殘留有起催化作用的金屬顆粒；然后，利用激光束垂直入射碳納米管陣列12，即激光束入射方向垂直于基板表面。其中，激光束可為脈沖激光，照射過程應(yīng)避免在氧氣含量過高的氣氛中進(jìn)行，因在純氧氣氛中碳納米管即使在室溫中也容易被燒蝕掉，可以選擇室溫下，在空氣、氮?dú)?、氫氣或含部分氧氣的氣體其中之一種或多種混合氣體環(huán)境氣氛中進(jìn)行，另外，環(huán)境氣體壓力小于0.2大氣壓時(shí)難以形成尖端，所以，氣體壓力應(yīng)大于0.2大氣壓，優(yōu)選為0.5至1.5大氣壓。本實(shí)施例采用空氣氣氛，1大氣壓，室溫中利用308nm準(zhǔn)分子激光器發(fā)射脈沖激光束照射碳納米管陣列12。其中，脈沖激光束單個(gè)脈沖功率為150mJ，照射面積為0.5cm2，照射20次脈沖。脈沖激光燒蝕掉碳納米管陣列表面的薄層，可去除殘留的金屬顆粒，并使碳納米管頂端開口，同時(shí)由于表面向下數(shù)十微米的高度范圍內(nèi)碳納米管之間的氣體被加熱而瞬間膨脹，擠壓旁邊的碳納米管，使其形成大小不等的針尖狀結(jié)構(gòu)。如圖4所示，多次重復(fù)脈沖激光照射后，碳納米管陣列12逐漸形成多個(gè)大小不等的錐形的尖端15，并且尖端垂直朝上，即朝向激光束14射來的方向。待形成所需的尖端形狀以后，停止激光照射。
為避免碳納米管之間的氣體過度膨脹損害碳納米管陣列12與基板10之間的結(jié)合強(qiáng)度，可調(diào)節(jié)脈沖激光強(qiáng)度和脈沖次數(shù)，采用弱的激光、較多的脈沖次數(shù)可以達(dá)到強(qiáng)激光、較少脈沖次數(shù)相同的效果，但卻可以保護(hù)碳納米管陣列12和基板10之間結(jié)合牢固，不致脫落。
再請參見圖4，本發(fā)明方法處理碳納米管陣列得到的多個(gè)碳納米管形成的尖端15，其由幾十至幾千根長度不等的碳納米管集束形成，該尖端15高度和處理前的碳納米管陣列高度變化很小，經(jīng)過激光照射以后，尖端15端部碳納米管具有開口，有利于在較低的電場下形成有效發(fā)射，相鄰針尖之間有一定間距，避免互相產(chǎn)生電場屏蔽效應(yīng)，從而改善場發(fā)射效果。
圖7和圖8分別是本發(fā)明第一實(shí)施例激光處理前和處理后得到得碳納米管陣列的SEM圖，對比兩圖可發(fā)現(xiàn)處理后的碳納米管陣列具有明顯的針狀尖端，下端呈圓柱形，頂端呈錐形，典型的尖端深度為30微米，下端圓柱形直徑10微米，頂端錐形直徑為幾十納米。相鄰尖端之間具有明顯間距。
請參見圖5及圖6，本發(fā)明方法第二實(shí)施例用激光束照射碳納米管陣列的示意圖，其中，準(zhǔn)備碳納米管陣列12的步驟、環(huán)境氣氛、激光參數(shù)均和第一實(shí)施例相同，不同的是，調(diào)整脈沖激光發(fā)射角，使脈沖激光束14相對碳納米管陣列12傾斜一定角度，脈沖激光從基板10右上方傾斜照射碳納米管陣列12。其中，最大傾斜角度和碳納米管陣列的密度以及氣體壓力有關(guān)，碳納米管陣列密度越高，氣體壓力越大，最大傾斜角度越大，當(dāng)入射角大于最大傾斜角時(shí)，將難以形成尖端。一般而言，傾斜的角度大于0度且小于35度時(shí)容易形成有效尖端，當(dāng)大于35度時(shí)形成類似波的起伏形狀，本實(shí)施例選用30度。經(jīng)過照射20次脈沖，關(guān)閉脈沖激光源，得到由傾斜的針狀尖端15組成的新碳納米管陣列，該尖端15為傾斜的圓錐形，并且，該尖端15朝向脈沖激光束14射來的方向，即相對碳納米管陣列12傾斜30度。從針尖15的豎截面來看，有一邊傾斜，傾斜方向與激光入射方向一致，另一邊保持豎直不變。
圖9是本發(fā)明第二實(shí)施例激光照射處理以后得到的碳納米管陣列的SEM圖，從圖9可以看出，處理后的碳納米管陣列形成具有明顯間距的針狀尖端，且該尖端有一傾斜度，傾斜的角度與激光入射的角度一致，尖端的下部呈圓柱形，頂部呈錐形，典型的尖端深度為30微米，下部圓柱形直徑10微米，頂部錐形直徑為幾十納米。
本發(fā)明方法可以用于處理碳納米管，也可用于處理納米纖維、納米絲等一維納米材料。針對不同材料，調(diào)整脈沖激光強(qiáng)度、脈沖次數(shù)或環(huán)境氣氛，可達(dá)到同樣效果。
權(quán)利要求
1.一種一維納米材料方向及形狀調(diào)整方法，該方法包括步驟提供一基板，其具有一平整表面；在該基板表面上直接生長一維納米材料陣列或者將一維納米材料陣列移植至該基板表面，其中該一維納米材料陣列具有平行基板表面的上表面；提供一激光發(fā)射源；開啟激光發(fā)射源，發(fā)射激光束照射上述一維納米材料陣列的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中一維納米材料陣列垂直于該基板表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該激光束是脈沖激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該一維納米材料是碳納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該一維納米材料是納米線、納米棒或納米纖維材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該激光束垂直入射到該一維納米材料陣列的上表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該激光束傾斜入射到該一維納米材料陣列的上表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于其中該激光束與一維納米材料陣列縱向形成0度至35度夾角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該方法是在空氣、氮?dú)?、氫氣、含部分氧氣的氣體之一種或多種混合氣體中進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于其中該氣體形成的氣壓大于0.2大氣壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于其中該氣體形成的氣壓為0.5至1.5大氣壓范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種調(diào)整一維納米材料的形狀和方向的方法，利用脈沖激光束按選定方向照射一維納米材料陣列，形成錐形的尖端，改變其形狀及方向，并清潔陣列的上表面，從而降低場發(fā)射電場閥值，消除電場屏蔽效應(yīng)，提高場發(fā)射效果。
文檔編號(hào)H01J9/02GK1483669SQ0213477
公開日2004年3月24日 申請日期2002年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者亮 劉, 劉亮, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司