一種鐵基金屬合金襯底上碳納米管陣列陰極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于碳納米管技術領域，尤其涉及一種鐵基金屬合金襯底上碳納米管陣列陰極的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管從上世紀末被發(fā)現以來，有關其制備方法、生長機理和物性的研究受到物理、化學和材料科學界的廣泛關注，并在多方面的研究中取得了實際性的進展。碳納米管由于具有曲率半徑小、長徑比大、電導率和熱導率高、機械強度好和化學穩(wěn)定性優(yōu)等獨特的結構特征和物性，使其成為理想的場致發(fā)射陰極材料。最早關于碳納米管場發(fā)射研究的報道是De Heer等人于1995年在Science雜志上發(fā)表。迄今為止，碳納米管作為電子源已被廣泛應用于X射線管、真空微波管、微波放大器、平板顯示器和電子顯微鏡等多種電子器件中。
[0003]綜觀已經公開發(fā)表在國際學術期刊上的有關碳納米管作為真空器件電子源的研究報道，發(fā)現這種新型的電子源具有功耗低、響應快、不發(fā)光、不發(fā)熱、尺寸小、不放氣、開啟電壓低、電流密度大和壽命長等優(yōu)點。然而，在碳納米管陰極中普遍存在電子源可靠性低和穩(wěn)定性差的問題。因此，要使這種新型電子源達到實際應用的水平，就必須大幅改善電子源的可靠性和穩(wěn)定性。盡管已有的研究中給出的影響碳納米管陰極發(fā)射可靠性和穩(wěn)定性的因素較多，但是根據國內外研究并結合我們前期的工作，認為電擊穿和電流衰減是導致其可靠性和穩(wěn)定性不夠理想的最主要的兩個因素。
[0004]電擊穿是指當電場達到一閾值時，帶電粒子的雪崩產生的突然放電燒毀發(fā)射體的過程，該現象與電子轟擊陽極導致電極材料的蒸發(fā)和吸附氣體的解吸，以及碳納米管在場致發(fā)射過程中尖端的熱蒸發(fā)和表面吸附氣體解吸所共同導致的環(huán)境真空度的下降相關，而電流衰減則是發(fā)生在電擊穿閾值之下的一個相對緩慢的過程，主要是指當碳納米管在大電流場致發(fā)射過程中產生的焦耳熱無法通過熱輻射和熱傳導及時耗散時，碳納米管尖端就會被逐漸蒸發(fā)變短，以及碳納米管在發(fā)射電子過程中受到殘氣離子轟擊和濺射等形式的侵害而導致的場致發(fā)射電流的衰減。此外，在強電場力的作用下，部分與襯底鍵合力較弱的碳納米管從襯底表面脫落，也會導致發(fā)射電流的衰減。
[0005]為了改進碳納米管陰極電子源的可靠性和穩(wěn)定性，一方面選用的電極材料必須具有良好的熱導性和電導性，這就可以保證在場致發(fā)射過程中電子的快速轉移和熱量的及時耗散；另一方面，碳納米管和襯底之間良好的電學接觸對陰極可靠性和穩(wěn)定性的實現是至關重要的，這里有多方面的原因:第一，碳納米管和襯底間的接觸面必須要均勻，這樣整個接觸面上的電流密度才能實現均勻，從而避免局域發(fā)射形成熱點；第二，碳納米管和襯底間形成良好的歐姆接觸時只會在測試電路中引入一個很小的串聯電阻，這樣就會在一個很小的電壓下獲得所需的發(fā)射電流；第三，碳納米管和襯底間良好的附著強度更是發(fā)射極脫落最小化的一個關鍵因素。
[0006]而現有技術中直接對鐵基金屬合金襯底進行氧化處理，以析出鐵納米粒子作為碳納米管生長所需的催化劑顆粒，但是該方法導致生產的催化劑顆粒大小不一、分布不均，鐵納米粒子容易被還原，失去催化活性，使得碳納米管生長終止。

【發(fā)明內容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種鐵基金屬合金襯底上碳納米管陣列陰極的制備方法，能夠獲得高密的、均勻分布的納米鐵催化劑顆粒。
[0008]本發(fā)明的鐵基金屬合金襯底上碳納米管陣列陰極的制備方法，其包括以下步驟:
[0009]步驟1，對所述鐵基金屬合金襯底進行清洗，去除所述鐵基金屬合金襯底表面的有機污染物，并吹干清洗后的所述鐵基金屬合金襯底；
[0010]步驟2，將所述鐵基金屬合金襯底置于物理氣相沉積腔室內，將物理氣相沉積腔室內的氣壓抽真空至10 4Pa,通入氬氣的同時濺射所述物理氣相沉積腔室內的鐵靶和鉻靶，從而在所述鐵基金屬合金襯底上形成一層復合沉積層，然后停止通入氬氣；
[0011]步驟3，將物理氣相沉積腔室內的氣壓抽真空至10 4Pa,通入氧氣氧化所述鐵基金屬合金襯底，生成氧化鐵和氧化鉻的復合氧化表層，然后停止通入氧氣；
[0012]步驟4，將物理氣相沉積腔室內的氣壓抽真空至10 4Pa,通入氫氣對氧化復合表層進行還原處理，獲得生長碳納米管所需的鐵納米顆粒和未被還原的氧化鉻薄膜層；
[0013]步驟5，將經步驟4處理獲得的鐵基金屬合金襯底置于熱化學氣相沉積腔室內，對熱化學氣相沉積腔室由常溫加熱至700°C -750°C的溫度，然后通入25SCCm的乙炔，15min后關掉乙炔，停止加熱同時通入氬氣，待熱化學氣相沉積腔室內溫度冷卻至室溫時停止通入氬氣，則乙炔在鐵納米顆粒的催化之下裂解成核，從而制備出垂直取向的碳納米管陣列陰極。
[0014]進一步的，還包括步驟6，對熱化學氣相沉積腔室的氣壓抽真空至14Pa,并在800°C的高溫條件下保持30分鐘-150分鐘(min)，使碳納米管和襯底間形成良好的電學和力學接觸。
[0015]進一步的，所述步驟I中的清洗方法為:依次用丙酮、無水乙醇和去離子水進行超聲清洗20_30min。
[0016]進一步的，所述步驟I中的吹干方法為:利用壓縮氮氣吹干。
[0017]進一步的，所述步驟2中通入40_50sccm氬氣的同時在200V偏壓下派射所述物理氣相沉積腔室內的鐵靶和鉻靶。
[0018]進一步的，所述步驟3中通入150sccm氧氣的同時將溫度保持在400°C -600°C下氧化所述鐵基金屬合金襯底30min。
[0019]進一步的，所述步驟4中通入150sccm的氫氣的同時將溫度增至650°C _730°C對氧化表層作還原處理，30分鐘-150分鐘min后停止通入氫氣。
[0020]有益效果:
[0021]1.通過調控鐵基金屬合金表層沉積層中鐵和鉻元素含量，并經過氧化還原處理獲得氧化鉻和鐵催化劑顆粒，其中氧化鉻穩(wěn)定存在于襯底和鐵催化劑顆粒之間，使得鐵催化劑顆粒不能與襯底反應，并且能夠抑制鐵催化劑顆粒大范圍的擴散，從而獲得高密的、均勻分布的納米鐵催化劑顆粒。乙炔在鐵納米顆粒的催化之下裂解成核，形成碳納米管陣列陰極。
[0022]2.該碳納米管陣列陰極在真空高溫退火處理過程中與鐵基合金襯底發(fā)生反應，將碳納米管和襯底有機的結合起來，可以有效的增強碳納米管和襯底間電子和熱量的轉移，從而全面提高碳納米管陣列陰極的場致發(fā)射性能。
【附圖說明】
[0023]圖1給出了鐵基金屬合金襯底上沉積層的結構示意圖；
[0024]圖2給出了氧化處理后的鐵基金屬合金襯底表層組成示意圖；
[0025]圖3給出了鐵基金屬合金襯底上生長的碳納米管示意