一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法
【專利摘要】一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法，其包括以下具體步驟：1)有機(jī)前驅(qū)體聚硅硼氮烷在氣氛燒結(jié)爐中于260℃保溫30min熱交聯(lián)固化，然后球磨粉碎；2)以碳紙為襯底，在0.05mol/L的Co(NO3)2(純度：99%)乙醇溶液中浸漬處理，取出自然晾干備用；3)將粉碎得到的粉末置于石墨坩堝底部，浸漬處理的碳紙置于石墨坩堝頂部，一起置于氣氛保護(hù)爐中；4)在純度為99.9%的Ar氣氛保護(hù)下，從室溫以25℃/min加熱至1550℃；5)以15℃/min從1550℃降溫至1100℃；6)隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)原位B摻雜SiC納米線的制備；7)將SiC納米線用作場(chǎng)發(fā)射陰極進(jìn)行電子發(fā)射性能檢測(cè)和分析。通過(guò)B摻雜，SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性得到了有效提高。
【專利說(shuō)明】一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法，屬材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC低維納米材料具有其傳統(tǒng)體材料所無(wú)法具備的優(yōu)異電子發(fā)射特性。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，其開(kāi)啟電場(chǎng)已能夠降低至幾V μ m-1，甚至低于?νμm-1。如采用Al2O3納米粒子修飾的管狀SiC的開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值電場(chǎng)分別為2.4 V μ m-1和5.37 Vy m-1 ;經(jīng)Al摻雜的SiC納米線的開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值電場(chǎng)僅為0.55^1.54 νμ m-1和1.25^1.88 Vy m-1 ；SiC/Si納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電場(chǎng)為2.6 V μ m-1，陣列化SiC納米線的開(kāi)啟電場(chǎng)可低至0.7-1.5νμm-1。已有研究表明，SiC低維納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電子發(fā)射性能，在場(chǎng)發(fā)射陰極材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而其真正應(yīng)用還有賴于其場(chǎng)發(fā)射性能的進(jìn)一步提高，比如獲得更低的開(kāi)啟電場(chǎng)、具備良好的電子發(fā)射穩(wěn)定性等。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，提高納米結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)射性能的主要技術(shù)方法有:1)利用局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，制備納米微尖結(jié)構(gòu)；2)增加納米結(jié)構(gòu)電子發(fā)射點(diǎn)密度，從而提高其電子發(fā)射密度；3)通過(guò)摻雜改性，提高其費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度，以強(qiáng)化電子發(fā)射能力。
[0003]SiC被認(rèn)為是重要的第三代寬帶系半導(dǎo)體材料之一，在用作高溫、高頻和高輻射等苛刻服役環(huán)境下的器件具有獨(dú)特而顯著的優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)于SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的研究，目前國(guó)內(nèi)外絕大部份工作僅限于其室溫性能，其高溫電子發(fā)射性能鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，特別是其高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的研究，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。然而，鑒于SiC材料體系的最大優(yōu)勢(shì)是能夠勝任高溫等苛刻服役環(huán)境，當(dāng)其降至納米尺度時(shí)，其高溫電子發(fā)射特性穩(wěn)定性到底如何，以及如何進(jìn)一步強(qiáng)化其電子發(fā)射穩(wěn)定性，相關(guān)技術(shù)研究對(duì)于將來(lái)SiC低維納米材料場(chǎng)發(fā)射陰極材料的真正應(yīng)用，至關(guān)重要。
[0004]本技術(shù)發(fā)明期望解決如何提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的問(wèn)題。場(chǎng)發(fā)射性能檢測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)原位B摻雜，能夠有效提高SiC低維納米材料的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:該制備原位B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的方法，包括以下具體步驟:
1)有機(jī)前驅(qū)體熱交聯(lián)固化和粉碎；
2)碳紙浸潰在一定濃度的催化劑乙醇溶液中，取出后自然晾干備用；
3)將粉碎得到的有機(jī)前驅(qū)體粉末，并將經(jīng)浸潰處理的碳紙襯底放置在坩堝頂部；
4)將石墨坩堝及襯底一起置于氣氛燒結(jié)爐中，在高純氬氣氛保護(hù)下加熱至特定熱解溫度；
5)氣氛爐溫度按一定冷卻速率降至1100°C ;
6)隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)原位B摻雜SiC納米線的制備。
[0007]7)將B摻雜SiC納米線用作場(chǎng)發(fā)射陰極材料進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能檢測(cè)和分析。
[0008]所述步驟(1)中，使用的原料為聚硅硼氮烷。
[0009]所述步驟(2)中，采用碳紙作為襯底，采用純度為99%的濃度為0.05 mol/L的Co (NO3) 2的乙醇溶液浸潰碳紙引入催化劑，亦可采用其他濃度的催化劑溶液浸潰碳紙實(shí)現(xiàn)催化劑的引入。
[0010]所述步驟(4)中，所采用的燒結(jié)設(shè)備為石墨電阻氣氛燒結(jié)爐，熱解溫度為1550°C。
[0011]所述步驟(5)中，所采用的冷卻速率為15°C /min。
[0012]所述步驟(7)中，場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試中，陰極為B摻雜的SiC納米線，陽(yáng)極為不銹鋼，場(chǎng)發(fā)射測(cè)試儀器的真空度為3xl0_7 Pa，場(chǎng)發(fā)射測(cè)試分別在室溫（-27° C)和200° C高溫下進(jìn)行，陰、陽(yáng)極距離設(shè)置為800 μ m，電壓-電流曲線由Keithley 248高壓電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了原位B摻雜SiC納米線的場(chǎng)發(fā)射陰極材料制備。
[0014]2.與未摻雜SiC低維納米材料相比，所制備的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料具有優(yōu)異的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的X射線衍射(XRD)圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡(SEM)圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的選區(qū)電子衍射(SAED)
圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的B元素的面掃描圖譜；圖5為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的場(chǎng)發(fā)射電流密度-電場(chǎng)圖譜；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例一所制得未摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡(SEM)圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的未摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的電子發(fā)射穩(wěn)定性譜圖； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例一所制得的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料的電子發(fā)射穩(wěn)定性譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
實(shí)施例一
初始原料選取聚硅硼氮烷(化學(xué)成份為=Sia64BCa78Nh53Oa25)，在純度為99.9%的Ar氣氛保護(hù)下，于260°C保溫30min，進(jìn)行熱交聯(lián)固化。將固化得到的SiBCN固體裝入尼龍樹(shù)脂球磨罐，球磨粉碎成粉末。裁取碳紙5x5 cm (長(zhǎng)X寬)，在0.05 mol/L的Co (NO3) 3 (純度:99%)乙醇溶液中浸潰I分鐘，取出后置于空氣環(huán)境中自然晾干。稱取0.3 mgSiBCN粉末，置于石墨坩堝底部，并將浸潰處理的碳紙置于石墨坩堝頂部，一起置于石墨電阻加熱的氣氛燒結(jié)爐中。氣氛爐先抽真空至10_4 Pa，再充入高純Ar氣(純度為99.9%)，直至壓力為一個(gè)大氣壓(~0.1lMpa)，此后壓力恒定。然后以25°C /min的速率從室溫升溫至1550°C，隨即以15°C /min的速率降溫至1100°C，然后隨爐冷卻至室溫。圖1為B摻雜SiC納米線的場(chǎng)發(fā)射陰極材料的XRD圖譜，表明所制備的材料相成份為3C-SiC，且具有較高的結(jié)晶性。圖2~3分別為在碳紙襯底上生長(zhǎng)的B摻雜SiC納米線的SEM和SAED圖譜，表明所制備的納米線為三棱柱結(jié)構(gòu)，其邊緣具有無(wú)數(shù)納米針尖結(jié)構(gòu)，為單晶。圖4為原位摻雜的B元素在SiC納米線中的面掃描圖譜，表明B原子在納米線具有均勻的空間分布。圖5為原位B摻雜SiC納米線在陰、陽(yáng)極間距為~800 μ m時(shí)的室溫場(chǎng)發(fā)射電流密度-電場(chǎng)曲線圖，其開(kāi)啟電場(chǎng)OU和閾值電場(chǎng)(瓦^(guò))分別為1.35 VynT1和1.70 V μ π1，表明所制備的B摻雜SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能(當(dāng)開(kāi)啟電場(chǎng)小于27V μ π1時(shí)，即可商業(yè)應(yīng)用)。為了研究B摻雜對(duì)SiC納米線高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的影響，原料采用聚硅氮烷，采用上述完全相同的熱解工藝，實(shí)現(xiàn)未摻雜SiC納米線的制備，如圖6所示。在200°C高溫工作條件下并施加電場(chǎng)1.88 Vy π1，分別對(duì)未摻雜和B摻雜的SiC納米線的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性進(jìn)行10小時(shí)的持續(xù)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)結(jié) 果表明，未摻雜的SiC納米線的電子發(fā)射電流的波動(dòng)~22%(圖7)，而B(niǎo)摻雜SiC納米線的電子發(fā)射波動(dòng)為~11%(圖8)，表明經(jīng)過(guò)B摻雜后，SiC納米線場(chǎng)發(fā)射陰極材料的電子發(fā)射穩(wěn)定性提高了 I倍，證明了通過(guò)原位B摻雜技術(shù)，能夠有效提高SiC納米線的高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法，其包括以下具體步驟: 有機(jī)前驅(qū)體聚硅硼氮烷在氣氛燒結(jié)爐中于260°C保溫30min熱交聯(lián)固化，然后球磨粉碎； 以碳紙為襯底，在純度為99%的濃度為0.05 mol/L的Co(NO3)2乙醇溶液中浸潰處理，取出自然晾干備用； 將粉碎得到的粉末置于石墨坩堝底部，浸潰處理的碳紙襯底置于石墨坩堝的頂部，一起置于氣氛保護(hù)爐中； 在純度為99.9%的氬氣氣氛保護(hù)下，從室溫以25°C /min加熱至1550°C ；
以 15°C /min 從 1550°C 降溫至 1100°C ； 隨爐冷卻至室溫 ，實(shí)現(xiàn)原位B摻雜SiC納米線的制備； 將SiC納米線用作場(chǎng)發(fā)射陰極進(jìn)行電子發(fā)射性能檢測(cè)和分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法，其特征在于:所述步驟I)中，使用的有機(jī)前驅(qū)體為聚硅硼氮烷，以實(shí)現(xiàn)SiC納米線的原位B摻雜，從而實(shí)現(xiàn)SiC場(chǎng)發(fā)射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的強(qiáng)化。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103928276SQ201410176393
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】楊為佑, 楊陽(yáng), 王霖, 尉國(guó)棟, 鄭金桔, 高鳳梅, 楊祚寶, 尚明輝 申請(qǐng)人:寧波工程學(xué)院