專利名稱：一種納米炭管場發(fā)射材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場電子發(fā)射材料，特別提供了一種新型的單壁納米炭管場電子發(fā)射材料。
納米炭管是90年代初發(fā)現(xiàn)的碳家族的新成員，可以看作是石墨烯片層結(jié)構(gòu)卷積而成的無縫中空管，其尖端具有納米尺度的曲率，而且導(dǎo)電性好、長徑比大，因而被認(rèn)為是一種理想的發(fā)射極材料。瑞士和美國科學(xué)家于1995年首次報(bào)道了納米炭管場發(fā)射性能的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，引起了各國科研工作者的極大關(guān)注。近五年來，納米炭管的場發(fā)射性能研究極為活躍，并在理論及應(yīng)用研究中均取得了一定進(jìn)展。已有研究工作主要是基于多壁納米炭管陣列及無序排列的單壁納米炭管樣品。據(jù)報(bào)道，定向多壁納米炭管陣列和無序排列單壁納米炭管的臨界發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場)分別為2.0～2.7V/μm和3.9-7.8V/μm。
本發(fā)明提供了一種納米炭管場發(fā)射材料，其特征在于該場發(fā)射材料由由取向性良好的單壁納米炭管束聚結(jié)成繩，碳管繩長度1～1000mm，直徑為1～1000μm；激光拉曼光譜特征峰為100-200cm-1處的呼吸模式峰，及在1570cm-1附近的肩膀峰；碳管繩的離散角，即納米炭管束與碳管繩軸向夾角，小于30度，可通過掃描電鏡、透射電鏡、同步輻射小角X射線散射等手段表征，。
本發(fā)明提供了上述納米炭管場發(fā)射材料的一種制備方法，其特征在于采用氫、氬混合電弧法制備，氫氣與氬氣的總壓力為100～500乇，氫氣與氬氣的分壓比為1～4，陽極直徑遠(yuǎn)大于陰極直徑d陽極∶d陰極＝4～10，陰極與陽極上表面成一斜角20～90°。
本發(fā)明上述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法中，所述陽極由石墨粉、催化劑及生長促進(jìn)劑混壓成型；所述催化劑為Fe、Co、Ni或其固體鹽之一種或多種，加入量為1.0～10.0at.％；生長促進(jìn)劑為硫或硫化物，加入量為0.1～5.0at.％。
本發(fā)明還提供了上述納米炭管場發(fā)射材料的另一種制備方法，其特征在于將氫氣、碳?xì)浠衔锖蜕L促進(jìn)劑的混合氣體通入反應(yīng)器，生長促進(jìn)劑為氣態(tài)或揮發(fā)性含硫化合物，混合氣體中H、C、S的原子比為4∶1∶0.01～5∶2∶0.01，混合氣在經(jīng)過反應(yīng)器前端時(shí)，把揮發(fā)的催化劑一同夾帶進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)區(qū)的溫度控制在1373-1573K，反應(yīng)時(shí)間為30-90min。
其中所述碳?xì)浠衔餅榉枷阕逄細(xì)浠衔?，最好為為苯、甲苯；所述催化劑最好為二茂鐵。
本發(fā)明以氫/氬混合電弧法或碳?xì)浠衔锎呋療峤夥ㄖ苽涞娜∠蛐粤己们揖哂泻暧^長度的定向單壁納米炭管繩作為場發(fā)射材料，場發(fā)射閾值低于定向多壁納米炭管陣列和無序單壁納米炭管，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鉬、硅場發(fā)射材料。在室溫及5×10-6Pa真空度下，定向單壁納米炭管繩的起始發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到1□A/cm2時(shí)的外加電場)低于0.2V/μm，臨界發(fā)射閾值低于0.4V/μm。在室溫、5×10-6Pa真空度、及電流發(fā)射密度高達(dá)105A/cm2的條件下，定向單壁納米炭管繩可穩(wěn)定發(fā)射100小時(shí)以上?？傊景l(fā)明與傳統(tǒng)鉬、硅場發(fā)射材料相比，納米炭管陰極發(fā)射材料具有分辨率高、電耗低、發(fā)射壽命長、發(fā)射強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，有望在筆記本電腦、移動(dòng)電話、壁掛式電視、照明裝置等電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用，因而有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。
在反應(yīng)室內(nèi)充入300乇氫氣、200乇氬氣，調(diào)整陰極棒與陽極圓盤上表面成50°角，d陽極∶d陰極＝8。在兩電極間起弧放電(直流，100A)5分鐘后獲得約200mg單壁納米炭管繩產(chǎn)物。取長3-4cm、直徑～70μm的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.16V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.25V/μm。
實(shí)施例2取長3-4cm、直徑～70μm的實(shí)施例1制備單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-7Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.15V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.24V/μm。
實(shí)施例3裝置如附圖
2，附圖3。
碳?xì)浠衔锉健⑸L促進(jìn)劑硫化氫和催化劑前驅(qū)體二茂鐵在氫氣和氬氣的攜帶下進(jìn)入水平管式爐，混合氣體中H、C、S的原子比為4∶1∶0.01，在1200℃左右碳?xì)浠衔锉淮呋纸?，反?yīng)20分鐘得到約40mg單壁納米炭管繩。取得到長3-4cm、直徑～50μm的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.18V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.26V/μm。
實(shí)施例4取長3-4cm、直徑～50μm的實(shí)施例3制備單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-7Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.16V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.24V/μm。
實(shí)施例5取長3-4cm、直徑～70μm實(shí)施例1制備的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至0.5-1.0cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.16V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.25V/μm。
實(shí)施例6取長3-4cm、直徑～50μm實(shí)施例3制備的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至0.5-1.0cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；取出碳管繩試樣在掃描電鏡下測定其直徑；繪制I-V曲線。計(jì)算出碳管繩的起始發(fā)射閾值為0.18V/μm，臨界發(fā)射閾值為0.26V/μm。
實(shí)施例7取長3-4cm、直徑～70μm實(shí)施例1制備的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；在發(fā)射電流為100.□A(電流發(fā)射密度＞105A/cm2)條件下持續(xù)發(fā)射。結(jié)果表明在連續(xù)發(fā)射100小時(shí)后發(fā)射電流強(qiáng)度無衰減，發(fā)射電流波動(dòng)小于1.0％。
實(shí)施例8
取長3-4cm、直徑～50μm實(shí)施例3的單壁納米炭管繩一根，切取3-4mm的一段；用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺(tái)上，使碳管繩軸向與樣品臺(tái)表面垂直；調(diào)整碳管繩尖端與透明陽極間的距離至2-3cm，利用定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測定該間距；抽真空至5×10-6Pa，逐漸加電壓，測定透明陽極上的發(fā)射電流；在發(fā)射電流為100.□A(電流發(fā)射密度＞105A/cm2)條件下持續(xù)發(fā)射。結(jié)果表明在連續(xù)發(fā)射100小時(shí)后發(fā)射電流強(qiáng)度無衰減，發(fā)射電流波動(dòng)小于1.0％。
權(quán)利要求
1.一種納米炭管場發(fā)射材料，其特征在于該場發(fā)射材料由由取向性良好的單壁納米炭管束聚結(jié)成繩，碳管繩長度1～1000mm，直徑為1～1000μm；激光拉曼光譜特征峰為100-200cm-1處的呼吸模式峰，及在1570cm-1附近的肩膀峰；碳管繩的離散角，即納米炭管束與碳管繩軸向夾角，小于30度。
2.一種權(quán)利要求1所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于采用氫、氬混合電弧法制備，氫氣與氬氣的總壓力為100～500乇，氫氣與氬氣的分壓比為1～4，陽極直徑遠(yuǎn)大于陰極直徑d陽極∶d陰極＝4～10，陰極與陽極上表面成一斜角20～90°。
3.按照權(quán)利要求2所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于所述陽極由石墨粉、催化劑及生長促進(jìn)劑混壓成型；所述催化劑為Fe、Co、Ni或其固體鹽之一種或多種，加入量為1.0～10.0at.％；生長促進(jìn)劑為硫或硫化物，加入量為0.1～5.0at.％。
4.一種權(quán)利要求1所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于將氫氣、碳?xì)浠衔锖蜕L促進(jìn)劑的混合氣體通入反應(yīng)器，生長促進(jìn)劑為氣態(tài)或揮發(fā)性含硫化合物，混合氣體中H、C、S的原子比為4∶1∶0.01～5∶2∶0.01，混合氣在經(jīng)過反應(yīng)器前端時(shí)，把揮發(fā)的催化劑一同夾帶進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)區(qū)的溫度控制在1373-1573K，反應(yīng)時(shí)間為30-90min。
5.按照權(quán)利要求4所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于所述碳?xì)浠衔餅榉枷阕逄細(xì)浠衔铩?br> 6.按照權(quán)利要求5所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于所述碳?xì)浠衔餅楸?、甲苯?br> 7.按照權(quán)利要求4所述納米炭管場發(fā)射材料的制備方法，其特征在于所述催化劑為二茂鐵。
全文摘要
本發(fā)明涉及場電子發(fā)射材料，該場發(fā)射材料由由取向性良好的單壁納米炭管束聚結(jié)成繩，碳管繩長度1～1000mm，直徑為1～1000μm；激光拉曼光譜特征峰為100－200cm
文檔編號C01B31/00GK1397489SQ0112794
公開日2003年2月19日 申請日期2001年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月17日
發(fā)明者成會(huì)明, 劉暢, 佟鈺, 叢洪濤 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所