腦中。本實(shí)施例中所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的開啟場、閾值場和最大場發(fā)射電流密度分別為1.00 V/ym、1.61 V/μπι和35.14 mA/cm2，要優(yōu)于原始碳納米管的 1.19 V/ μπι、1.76 V/ μπι 和 21.50 mA/cm2。場發(fā)射性能的提升是因?yàn)樯L的納米碳片在場發(fā)射過程中成為了大量新的有效場發(fā)射點(diǎn)。
[0073]( 6 )場電子發(fā)射器組裝(常規(guī)組裝方法):
用導(dǎo)電膠將生長有納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的硅單晶片粘附在厚度為2毫米的銅電極上，將其作為場發(fā)射陰極，并將陰極接地，陽極為一厚度為2毫米的銅板電極，陰陽極保持平行，用厚度為200微米的環(huán)裝聚四氟乙烯隔開，負(fù)載正偏壓在陽極板上，就可獲得穩(wěn)定的場電子發(fā)射，場發(fā)射電流密度大小的控制可通過調(diào)節(jié)陽極板偏壓來實(shí)現(xiàn)。
[0074]實(shí)施例10
(I)制備潔凈娃晶片基底:
首先將硅片切成2cmX 2cm小片，依次在去離子水、丙酮和無水乙醇中各超聲(50W)清洗10分鐘，再將硅晶片放入體積比為4%的氫氟酸中浸泡5分鐘，獲得干凈無污染且無二氧化硅覆蓋層的基底。
[0075]( 2 )磁控濺射法沉積鐵催化劑:
鐵催化劑的沉積在磁控濺射裝置(有市售)中進(jìn)行。在此之前，先將硅單晶片在金屬蒸汽真空弧離子源(MEVVA源，有市售)中進(jìn)行載能鐵離子轟擊預(yù)處理，鐵離子能量約為15keV，束流為10毫安，處理時(shí)間為15分鐘，該處理可有效提升碳納米管與硅基底間的結(jié)合力；然后將載能鐵離子轟擊過的硅晶片放置在樣品臺上，先對真空室抽真空至約8X10_5Pa，以排除雜質(zhì)氣體污染，然后通入高純(5N)氬氣，調(diào)節(jié)腔室氣壓為1.0Pa ;沉積時(shí)，直流電源電流為60毫安，同時(shí)在樣品臺上加150伏負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為125秒，所獲鐵膜厚度為5納米。
[0076](3)熱化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管陣列:
碳納米管陣列的生長在高溫管式爐(有市售)中完成，所用方法為傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積法，且整個(gè)過程在常壓下完成。首先將沉積有5納米鐵催化劑的硅晶片置入管式爐石英管內(nèi)樣品臺上，封閉好石英管后，將鐵催化劑在400sCCm氫氣、853K條件下熱處理I小時(shí)；后在150sccm氨氣、1023K條件下處理10分鐘以提升催化劑活性；最后在87sccm乙炔、600SCCm氫氣、1023K條件下生長碳納米管陣列，生長時(shí)間為30分鐘。
[0077](4)微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備納米碳片:
碳片的制備在微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置(有市售)中完成，圖3所示即為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。首先將所制備的碳納米管陣列放置在石墨樣品臺上，對處理室預(yù)抽真空至約1.0X l(T3Pa，然后通入1sccm氫氣(純度為5N)，調(diào)節(jié)氣壓約為lkPa，并對石墨樣品臺用自制石墨加熱器加熱至1073K，待溫度穩(wěn)定后，啟動微波源，調(diào)節(jié)微波功率為180W，并通入1sccm的乙炔氣(純度為5N)，并迅速調(diào)節(jié)氣壓至穩(wěn)定為lkPa，即開始碳片的沉積，生長時(shí)間為3小時(shí)。
[0078](5)場發(fā)射性能測試:
納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能測試在高真空場發(fā)射測試儀(有市售)中完成，圖6所示即為該測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。測試室中真空度維持在約lX10_7Pa (用常開的鈦離子泵抽真空)。將所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品用導(dǎo)電膠粘附在銅樣品臺上，以此作為場發(fā)射陰極，并將陰極接地；陽極為一直徑約為10厘米的不銹鋼圓板，陰陽極保持平行，間距為2毫米；測試時(shí)，在陽極上負(fù)載O-1OkV可調(diào)正偏壓，偏壓增速恒定為500 V/min，測試結(jié)果通過程序自動記錄到電腦中。本實(shí)施例中所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的開啟場、閾值場和最大場發(fā)射電流密度分別為0.94 ν/μπι、1.52 V/μπι和46.72 mA/cm2，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原始碳納米管的 1.19 V/μπι、1.76 V/μπι 和 21.50 mA/cm2。場發(fā)射性能的提升是因?yàn)樯L的納米碳片在場發(fā)射過程中成為了大量新的有效場發(fā)射點(diǎn)。
[0079]( 6 )場電子發(fā)射器組裝(常規(guī)組裝方法):
用導(dǎo)電膠將生長有納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的硅單晶片粘附在厚度為2毫米的銅電極上，將其作為場發(fā)射陰極，并將陰極接地，陽極為一厚度為2毫米的銅板電極，陰陽極保持平行，用厚度為200微米的環(huán)裝聚四氟乙烯隔開，負(fù)載正偏壓在陽極板上，就可獲得穩(wěn)定的場電子發(fā)射，場發(fā)射電流密度大小的控制可通過調(diào)節(jié)陽極板偏壓來實(shí)現(xiàn)。
[0080]實(shí)施例11
(I)制備潔凈娃晶片基底:
首先將硅片切成2cmX 2cm小片，依次在去離子水、丙酮和無水乙醇中各超聲(50W)清洗10分鐘，再將硅晶片放入體積比為4%的氫氟酸中浸泡5分鐘，獲得干凈無污染且無二氧化硅覆蓋層的基底。
[0081 ] (2)磁控濺射法沉積鐵催化劑:
鐵催化劑的沉積在磁控濺射裝置(有市售)中進(jìn)行。在此之前，先將硅單晶片在金屬蒸汽真空弧離子源(MEVVA源，有市售)中進(jìn)行載能鐵離子轟擊預(yù)處理，鐵離子能量約為15keV，束流為10毫安，處理時(shí)間為15分鐘，該處理可有效提升碳納米管與硅基底間的結(jié)合力；然后將載能鐵離子轟擊過的硅晶片放置在樣品臺上，先對真空室抽真空至約8X10_5Pa，以排除雜質(zhì)氣體污染，然后通入高純(5N)氬氣，調(diào)節(jié)腔室氣壓為1.0Pa ;沉積時(shí)，直流電源電流為60毫安，同時(shí)在樣品臺上加150伏負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為125秒，所獲鐵膜厚度為5納米。
[0082](3)熱化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管陣列:
碳納米管陣列的生長在高溫管式爐(有市售)中完成，所用方法為傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積法，且整個(gè)過程在常壓下完成。首先將沉積有5納米鐵催化劑的硅晶片置入管式爐石英管內(nèi)樣品臺上，封閉好石英管后，將鐵催化劑在400sCCm氫氣、853K條件下熱處理I小時(shí)；后在150sccm氨氣、1023K條件下處理10分鐘以提升催化劑活性；最后在87sccm乙炔、600SCCm氫氣、1023K條件下生長碳納米管陣列，生長時(shí)間為30分鐘。
[0083](4)微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備納米碳片:
碳片的制備在微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置(有市售)中完成，圖3所示即為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。首先將所制備的碳納米管陣列放置在石墨樣品臺上，對處理室預(yù)抽真空至約1.0X l(T3Pa，然后通入1sccm氫氣(純度為5N)，調(diào)節(jié)氣壓約為lkPa，并對石墨樣品臺用自制石墨加熱器加熱至1073K，待溫度穩(wěn)定后，啟動微波源，調(diào)節(jié)微波功率為180W，并通入Ssccm的乙炔氣(純度為5N)，并迅速調(diào)節(jié)氣壓至穩(wěn)定為lkPa，即開始碳片的沉積，生長時(shí)間為5小時(shí)。
[0084](5)場發(fā)射性能測試: 納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能測試在高真空場發(fā)射測試儀(有市售)中完成，圖6所示即為該測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。測試室中真空度維持在約lX10_7Pa (用常開的鈦離子泵抽真空)。將所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品用導(dǎo)電膠粘附在銅樣品臺上，以此作為場發(fā)射陰極，并將陰極接地；陽極為一直徑約為10厘米的不銹鋼圓板，陰陽極保持平行，間距為2毫米；測試時(shí)，在陽極上負(fù)載O-1OkV可調(diào)正偏壓，偏壓增速恒定為500 V/min，測試結(jié)果通過程序自動記錄到電腦中。本實(shí)施例中所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的開啟場、閾值場和最大場發(fā)射電流密度分別為0.95 ν/μπι、1.53 V/μπι和45.09 mA/cm2，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原始碳納米管的 1.19 V/μπι、1.76 V/μπι 和 21.50 mA/cm2。場發(fā)射性能的提升是因?yàn)樯L的納米碳片在場發(fā)射過程中成為了大量新的有效場發(fā)射點(diǎn)。
[0085]( 6 )場電子發(fā)射器組裝(常規(guī)組裝方法):
用導(dǎo)電膠將生長有納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的硅單晶片粘附在厚度為2毫米的銅電極上，將其作為場發(fā)射陰極，并將陰極接地，陽極為一厚度為2毫米的銅板電極，陰陽極保持平行，用厚度為200微米的環(huán)裝聚四氟乙烯隔開，負(fù)載正偏壓在陽極板上，就可獲得穩(wěn)定的場電子發(fā)射，場發(fā)射電流密度大小的控制可通過調(diào)節(jié)陽極板偏壓來實(shí)現(xiàn)。
[0086]最后需說明的是，以上僅列舉了本發(fā)明的典型實(shí)施例。但顯然本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，還有許多其它的實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合方法，本研宄領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員可從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的相關(guān)情形，均應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的制備方法，其特征是:在用熱化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管陣列上利用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法生長納米尺度的碳片，調(diào)節(jié)微波功率為150-180W、基底溫度為1073K、反應(yīng)室氣壓為lkPa、在高碳源氣濃度下沉積3-5小時(shí)，最終獲得不同形貌的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極材料；所述的高碳源氣濃度指的是氫氣流量為1sccm時(shí)，對應(yīng)的乙炔流量為6-lOsccm ;所述的納米碳片指的是直徑大多為30-100納米、邊緣層數(shù)一般為2-5層的密集分布的碳片。2.權(quán)利要求1所述的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的制備方法，其特征是:制備碳納米管陣列的方法可以是傳統(tǒng)的熱化學(xué)氣相沉積法，也可以是任意的可用于制備陣列碳納米管的方法。3.權(quán)利要求1所述的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的制備方法，其特征是:用于沉積納米碳片的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置可以是微波源驅(qū)動的，也可以是射頻源驅(qū)動的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的制備方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行: (1)將硅單晶片依次在去離子水、丙酮和無水乙醇中各超聲清洗10分鐘，超聲功率為50W ； (2)將步驟(I)得到的硅晶片置入到體積比為4%的氫氟酸中浸泡5分鐘； (3)對步驟(2)得到的硅晶片在金屬蒸汽真空弧離子源(MEVVA源)中進(jìn)行載能鐵離子轟擊預(yù)處理，轟擊時(shí)鐵離子能量約為15keV，束流為10毫安，處理時(shí)間為15分鐘； (4)將步驟(3)得到的載能鐵離子轟擊過的硅晶片置入磁控濺射裝置中沉積厚度為5納米的鐵催化劑； (5)將步驟(4)得到的沉積有5納米鐵催化劑的硅片放入高溫石英管式爐中，先將催化劑在400sccm氫氣、853K條件下熱處理I小時(shí)，后在150sccm氨氣、1023K條件下處理10分鐘，最后在87sccm乙炔、600sccm氫氣、1023K條件下常壓生長碳納米管陣列，生長時(shí)間為30分鐘； (6)將步驟(5)得到的碳納米管陣列放入微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室中，通入1sccm高純氫氣(5N)，調(diào)節(jié)反應(yīng)室氣壓約為lkPa，并對基底加熱至1073K，等待溫度穩(wěn)定； (7)在步驟(6)的基礎(chǔ)上啟動微波源，調(diào)節(jié)微波功率為150-180W，并通入6-lOsccm的乙炔氣，并迅速調(diào)節(jié)氣壓至穩(wěn)定為lkPa，即開始碳片的沉積，生長時(shí)間為3-5小時(shí)，最終所得即為納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，并將其作為場發(fā)射陰極材料按常規(guī)方法組裝場電子發(fā)射器件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的制備方法，屬于納米材料的制備和應(yīng)用領(lǐng)域。其主要包括以下制備工藝：以用熱化學(xué)氣相沉積法在硅單晶片上制備的碳納米管陣列為基底；在基底上利用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在高碳源氣濃度下生長納米尺度的碳片；最后以所獲得的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)為陰極組裝場電子發(fā)射器。本方法所制備的納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)，碳片直徑一般為30-100納米，邊緣層數(shù)一般為2-5層，在碳納米管表面密集分布。納米碳片-碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)作為場發(fā)射陰極材料具有比單純碳納米管陣列更低的開啟場和閾值場以及更好的場發(fā)射穩(wěn)定性，有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】B82Y40/00, B82Y30/00, H01J9/02
【公開號】CN104952674
【申請?zhí)枴緾N201510152592
【發(fā)明人】鄧建華, 程國安, 汪凡潔
【申請人】天津師范大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年4月2日