專利名稱：一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷光源、信息顯示及半導(dǎo)體電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù) 合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，該電子發(fā)射陰極可用于制作極 地考察、航空航天等的惡劣工作環(huán)境的節(jié)能冷光源、顯示器、傳感器、半導(dǎo) 體電子源。
背景技術(shù)：
金剛石晶體具有自然界已有物質(zhì)中最高的硬度、它的莫氏硬度為10。金
剛石的熔點(diǎn)為4ooo°c;它還具有很高的熱導(dǎo)率，天然n類金剛石室溫下的導(dǎo)
熱率為26W/(CM"K)，是銅的5倍。天然I類金剛石室溫下的導(dǎo)熱率為9W/(CM K)，人造優(yōu)質(zhì)單晶金剛石室溫下的導(dǎo)熱率為18 20W/(CM K), —般有缺 陷的人造單晶金剛石室溫下的導(dǎo)熱率為4.5 6.5W/(CM* K)，而一般的人造 多晶金剛石室溫下的導(dǎo)熱率為4 10W/(CM* K)。金剛石禁帶寬度數(shù)值為 5.3 5.5eV，介電常數(shù)er為5.58土0.03，天然金剛石的電阻率為1010Q CM， 天然II類金剛石室溫下的電阻率為1 108Q' CM，其硼的受主能級位于價(jià)帶 之上約0.37eV，具有很高的飽和載流子速度。金剛石的擊穿場強(qiáng)高達(dá)100X 105V/cm。金剛石具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸耐腐蝕。即使在高溫下各種酸 對金剛石幾乎不起作用，空氣中較大尺寸的金剛石晶體在600 70(TC以下和 金剛石微粉晶體在450 50(TC以下均是很穩(wěn)定的。雖然金剛石的功函數(shù)高達(dá) 5.8eV，但是金剛石具有負(fù)的電子親和勢。寬禁帶可降低產(chǎn)生電荷的數(shù)量，決定 了金剛石器件具有微波特性，高擊穿場強(qiáng)與高的熱導(dǎo)率的結(jié)合，其功率承受 能力大大提高，使金剛石成為需要快速熱擴(kuò)散的電子發(fā)射源的首選材料。因 此，金剛石薄膜電子發(fā)射陰極具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于制作節(jié)能冷光源、 顯示器、傳感器、半導(dǎo)體電子源，能夠適應(yīng)于極地考察、航空航天等的惡劣工作環(huán)境。
目前，制備金剛石薄膜的主流工藝方法，有化學(xué)氣相沉積(MOCVD)， 熱絲法MPCVD法，射頻放電法，等離子體炬法等，較之早期高溫高壓的爆 炸法清潔可靠，并可沉積高質(zhì)量的薄膜。金剛石薄膜的制備方法雖然有很多 種，但是這些生長方法都不能得到大面積均勻的場發(fā)射性能很好金剛石薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，能夠 制備獲得大面積均勻的復(fù)合納米金剛石薄膜，擴(kuò)展金剛石薄膜電子發(fā)射陰極 的尺寸，同時(shí)制備的復(fù)合納米金剛石薄膜陰極具有較高的電子發(fā)射效率、很 好的散熱穩(wěn)定性和較長的使用壽命
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。 一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，其特證在于，包括 以下步驟
a、 分別研磨納米金剛石和納米石墨，散開其團(tuán)聚體，然后將納米石墨、 納米金剛石、乙基纖維素按重量比2:5:6-2:7:9的比例混合作為溶質(zhì)；
b、 按重量比1: 2至1: 4的比例將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散6-9 小時(shí)，再在380-400K下加熱攪拌，再次過400-450目篩后，自然冷卻至室溫， 得納米金剛石漿料待用；
c、 選擇300-400目的金屬絲網(wǎng)或滌綸絲網(wǎng)，絲網(wǎng)印刷納米金剛石漿料在 導(dǎo)電襯底上，然后熱燒結(jié)處理；
d、 熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至330-350K后保持10-15分鐘，再升溫至 400-430K后保持100-120分鐘，然后升溫至580-590K后保持50-60分鐘，最 后自然冷卻至室溫，得燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜待用；
e、 將燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜表面進(jìn)行氫等離子體處理；
f、 最后，在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極，即得復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā) 射陰極。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)和特點(diǎn)在于
(1) 制作溶質(zhì)時(shí)，將乙基纖維素經(jīng)過研磨后，與納米金剛石、納米石墨混 合。
(2) 所述氫等離子體處理是借助壓縮空氣以0.50-0.70 W/cn^將氫等離子體 噴向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜表面，保持時(shí)間為1.0-1.5分鐘。
(3) 所述導(dǎo)電襯底為導(dǎo)電玻璃板或不銹鋼板。 本發(fā)明在納米金剛石中引入納米石墨作為導(dǎo)電晶界，制備復(fù)合納米金剛
石薄膜，提高了電子發(fā)射特性和電子發(fā)射效率；能夠采用絲網(wǎng)印刷法制備大 面積均勻復(fù)合納米金剛石薄膜，成本低；同時(shí)，金剛石具有很好的化學(xué)穩(wěn)定 性，耐酸耐腐蝕。因此，采用本發(fā)明制備的復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰 極，能夠用于制作極地考察、航空航天等的惡劣工作環(huán)境的節(jié)能冷光源、顯 示器、傳感器、半導(dǎo)體電子源。
本發(fā)明制備溶質(zhì)時(shí)，分別研磨納米金剛、納米石墨，散開其團(tuán)聚體。原 因在于，納米顆粒容易團(tuán)聚成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團(tuán)聚體，這 將影響納米金剛在導(dǎo)電襯底表面的均勻分布，從而影響電子發(fā)射的均勻性， 在漿料制備前分別將納米金剛和納米石墨進(jìn)行研磨，使其團(tuán)聚體散開粒度變 小。同時(shí)，對乙基纖維素進(jìn)行研磨，使其與納米金剛石、納米石墨混合更充 分。
本發(fā)明的復(fù)合納米金剛薄膜的熱燒結(jié)曲線包括3個(gè)升溫階段、3個(gè)恒溫階 段和1個(gè)降溫階段。第一段的恒溫主要是烘干復(fù)合納米金剛石薄膜；第二段 的恒溫主要是通過槳料本身的表面張力的作用而使復(fù)合納米金剛石印刷層表 面更加均勻和平整，是一個(gè)自修飾過程，并使印刷層充分干燥；第三段的恒 溫過程是為了使干燥后的制漿材料在593K高溫下分解揮發(fā)。未經(jīng)熱燒結(jié)處理 的印刷復(fù)合納米金剛石薄膜中制漿材料包圍在納米金剛石晶體的周圍，所以 必須對其進(jìn)行熱燒結(jié)處理。熱燒結(jié)處理有兩個(gè)目的 一方面可以使薄膜干燥 并牢固地粘結(jié)在襯底上，另一方面可以使薄膜中所含制漿材料分解蒸發(fā)掉。如果制漿材料(乙基纖維素)不能充分地將其分解蒸發(fā)掉，這些材料在印刷 層干燥后會(huì)緊密地包裹在納米金剛石周圍，使之無法發(fā)射電子，因此必須在 熱處理過程中加以去除，使納米金剛石微尖露出薄膜表面利于電子場發(fā)射。
本發(fā)明氫等離子體處理，是借助壓縮空氣以0.70 W/cn^將氫等離子體噴 向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜表面，時(shí)間保持1.3-1.5分鐘進(jìn)行氫等離子 體處理，使納米金剛石發(fā)射尖均勻分布在薄膜表面上，產(chǎn)生了化學(xué)作用和物理 變化，其表面分子鏈結(jié)構(gòu)得到了改變，SPZ鍵變多，使電子的遂穿和發(fā)射變得 容易；并使復(fù)合納米金剛石薄膜表面的金剛石尖端分布均勻，提高電子場發(fā) 射的穩(wěn)定性。


圖1為一種微波電子源結(jié)構(gòu)圖，其中的陰極采用本發(fā)明制備復(fù)合納米金 剛石薄膜電子發(fā)射陰極。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l
本發(fā)明的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，具體包括 以下步驟
a、 分別研磨納米金剛石、納米石墨和乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，然后 將納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素按重量比2:5:6的比例混合作為溶質(zhì)。
b、 按重量比l: 4的比例將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散6小時(shí)， 再在380K下加熱攪拌，再次過450目篩后，自然冷卻至室溫，得納米金剛石 漿料待用。
c、 選擇400目的金屬絲網(wǎng)，絲網(wǎng)印刷納米金剛石漿料在導(dǎo)電襯底(選用
導(dǎo)電玻璃板)上，然后熱燒結(jié)處理。
d、 熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至330K后保持15分鐘，再升溫至400K后保 持120分鐘，然后升溫至590K后保持60分鐘，最后自然冷卻至室溫，得燒 結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜待用。
6e、 將燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜表面進(jìn)行氫等離子體處理。具體為借 助壓縮空氣以0.50 W/cr^將氫等離子體噴向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜 表面，時(shí)間保持1.5分鐘進(jìn)行氫等離子體處理。
f、 最后，在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極，即得復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā) 射陰極。
實(shí)施例2:
本發(fā)明的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，具體包括 以下步驟
a、 分別研磨納米金剛石、納米石墨和乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，然后 將納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素按重量比2:6:8的比例混合作為溶質(zhì)。
b、 按重量比1: 3的比例將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散7小時(shí)， 再在390K下加熱攪拌，再次過400目篩后，自然冷卻至室溫，得納米金剛石 漿料待用。
c、 選擇350目的金屬絲網(wǎng)，絲網(wǎng)印刷納米金剛石漿料在導(dǎo)電襯底(選用 不銹鋼板)上，然后熱燒結(jié)處理。
d、 熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至340K后保持15分鐘，再升溫至420K后保 持110分鐘，然后升溫至580K后保持55分鐘，最后自然冷卻至室溫，得燒 結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜待用。
e、 將燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜表面進(jìn)行氫等離子體處理。具體為借 助壓縮空氣以0.60 W/cr^將氫等離子體噴向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜 表面，時(shí)間保持1.4分鐘進(jìn)行氫等離子體處理。
f、最后，在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極，即得復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射
實(shí)施例3:
本發(fā)明的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，具體包括
以下步驟a、 分別研磨納米金剛石、納米石墨和乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，然后 將納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素按重量比2:7:9的比例混合作為溶質(zhì)。
b、 按重量比l: 2的比例將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散9小時(shí)， 再在400K下加熱攪拌，再次過400目篩后，自然冷卻至室溫，得納米金剛石 漿料待用。
c、 選擇300目的滌綸絲網(wǎng)，絲網(wǎng)印刷納米金剛石漿料在導(dǎo)電襯底(選用 導(dǎo)電玻璃板)上，然后熱燒結(jié)處理。
d、 熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至350K后保持10分鐘，再升溫至430K后保 持100分鐘，然后升溫至590K后保持50分鐘，最后自然冷卻至室溫，得燒 結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜待用。
e、 將燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜表面進(jìn)行氫等離子體處理。具體為借 助壓縮空氣以0.70 W/cn^將氫等離子體噴向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜 表面，時(shí)間保持1.0分鐘進(jìn)行氫等離子體處理。
f、最后，在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極，即得復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射 參照圖1，為一種微波電子源，其中的陰極采用本發(fā)明制備復(fù)合納米金剛 石薄膜電子發(fā)射陰極。該微波電子源陰極，包括一塊不銹鋼導(dǎo)電襯底l，該不 銹鋼導(dǎo)電襯底1上采用本發(fā)明通過絲網(wǎng)印刷制備有復(fù)合納米金剛石薄膜2;另 一塊不銹鋼絲網(wǎng)為陽極3，陰極和陽極之間設(shè)置有左、右絕緣支座4、 5絕緣， 在陽極和陰極上分別引出正、負(fù)電極6、 7到微波電子源外。其工作原理是 將復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極接地，陽極加正電壓，當(dāng)電壓加到一定 的數(shù)值時(shí)，金剛石發(fā)射體尖端電場足夠強(qiáng)，使發(fā)射體尖端表面勢壘變低變窄， 就有電子隧穿表面勢壘從陰極發(fā)射，穿過陽極不銹鋼絲網(wǎng)發(fā)射出來。本發(fā)明 將納米金剛石微尖作為發(fā)射體，納米石墨作為導(dǎo)電媒質(zhì)，用低成本的絲網(wǎng)印 刷方法在不銹鋼板上制備大面積均勻的復(fù)合納米金剛石薄膜，通過氫等離子 體處理提高電子發(fā)射源(陰極)的電子發(fā)射的均勻性和穩(wěn)定性，使電子發(fā)射 源能用于惡劣環(huán)境。本發(fā)明制備的復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極具有電子發(fā)射效率高、 穩(wěn)定性高、使用壽命長，工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作極地考察、航 空航天等的惡劣工作環(huán)境的節(jié)能冷光源、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體電子源。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a、分別研磨納米金剛石和納米石墨，散開其團(tuán)聚體，然后將納米石墨、納米金剛石、乙基纖維素按重量比2∶5∶6-2∶7∶9的比例混合作為溶質(zhì)；b、按重量比1∶4至1∶2的比例將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散6-9小時(shí)，再在380-400K下加熱攪拌，再次過400-450目篩后，自然冷卻至室溫，得納米金剛石漿料待用；c、選擇300-400目的金屬絲網(wǎng)或滌綸絲網(wǎng)，絲網(wǎng)印刷納米金剛石漿料在導(dǎo)電襯底上，然后熱燒結(jié)處理；d、熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至330-350K后保持10-15分鐘，再升溫至400-430K后保持100-120分鐘，然后升溫至580-590K后保持50-60分鐘，最后自然冷卻至室溫，得燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜待用；e、將燒結(jié)后復(fù)合納米金剛石薄膜表面進(jìn)行氫等離子體處理；f、最后，在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極，即得復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備 方法，其特征在于，制作溶質(zhì)時(shí)，將乙基纖維素經(jīng)過研磨后，與納米金剛石、 納米石墨混合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備 方法，其特征在于，所述氫等離子體處理是借助壓縮空氣以0.50-0.70 W/cm2 將氫等離子體噴向熱燒結(jié)后的復(fù)合納米金剛石薄膜表面，保持時(shí)間為1.0-1.5 分鐘。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備 方法，其特征在于，所述導(dǎo)電襯底為導(dǎo)電玻璃板或不銹鋼板。
全文摘要
本發(fā)明涉及冷光源、信息顯示及半導(dǎo)體電子技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極的制備方法，包括下列步驟a.制備復(fù)合納米金剛石漿料；b.絲網(wǎng)印刷制備復(fù)合納米金剛石薄膜；c.印刷后的熱燒結(jié)處理；d.熱燒結(jié)后等離子體處理；e.在導(dǎo)電襯底上引出陰極電極即可。本發(fā)明制備的復(fù)合納米金剛石薄膜電子發(fā)射陰極具有電子發(fā)射效率高、穩(wěn)定性高、使用壽命長，工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作極地考察、航空航天等的惡劣工作環(huán)境的節(jié)能冷光源、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體電子源。
文檔編號H01J9/02GK101587805SQ200910022970
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者盧秉恒, 張秀霞, 魏舒怡 申請人:西安交通大學(xué)