CN101962806B - 一种柔性冷阴极材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性冷阴极的制备方法，通过在碳布上热蒸发生长氧化钨纳米线，制备得到同时具有良好柔性的高电导和导热性的场发射阴极材料，其可以承受较高的电流密度，在柔性场发射平板显示器和柔性微纳电子学等领域中有广泛的运用前景。

Description

一种柔性冷阴极材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性冷阴极的制备方法。

背景技术

场发射平板显示器(FED)相比传统的阴极射线管(CRT)，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，相比液晶显示器件(LCD)，在亮度、颜色再现、响应速度、视角、功耗、工作电压等方面都有优良的性能，具有广阔的应用前景。

冷阴极材料是场发射平板显示器(FED)中最重要的一个组成部分，同时在X射线放射治疗、微波放大器件和真空微电子器件中有重要运用。随着柔性显示技术和柔性电子学的发展，可卷曲折叠的柔性场发射阴极材料显示出越来越广阔的运用前景，是柔性场发射平板显示器的核心部件，也是柔性微纳电子学的研究热点。目前，已经有一些柔性冷阴极材料的研究，例如，有人在柔性的高分子聚合物衬底上生长碳纳米管做柔性冷阴极。但是，由于高分子聚合物衬底是绝缘材料，所制备的柔性冷阴极材料存在导电和导热性能差、电流密度低等问题。因此如何制备导电性和导热性良好并且低阈值电场的冷阴极材料是解决柔性平板显示器的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有良好导电和导热性质的柔性冷阴极材料的制备方法。

一种柔性冷阴极材料的制备方法，具体为：在填充有保护气体和氧气的真空装置中，加热，钨粉与氧气发生氧化反应，在碳布上生成氧化钨纳米线，得到柔性冷阴极材料。

所述保护气体为氩气或氮气。

本发明的技术效果体现在：在碳布上制备均匀的氧化钨纳米线，得到的附有氧化钨纳米线的碳布保持超高柔性，场发射阈值(电流密度达到10mA/cm²)低于4.30MV/m，同时电阻率值低于5mΩ/cm²，热导系数高于1.6W/(m·K)，热扩散率高于8.7x10^-7m²/s。这充分说明生长氧化钨纳米线的碳布具有优良的场发射性能，同时有良好的导电和导热性能，是优良的柔性场发射阴极材料。

附图说明

图1为氧化钨纳米线的形貌示意图，其中图1(a)为生长有氧化钨纳米线之后碳布的光学照片，图1(b)为未生长氧化钨纳米线之前的碳布高倍SEM图，图1(c)为生长氧化钨纳米线之后样品的SEM图，图1(d)生长在碳布上的氧化钨纳米线的高倍SEM图。

图2为氧化钨纳米线的物相结构测试结果示意图，其中图2(a)是氧化钨纳米线的XPS曲线，图2(b)为氧化钨纳米线的拉曼散射曲线，2(c)为氧化钨纳米线的TEM低倍图(图中插图是EDS能谱图)，2(d)为氧化钨纳米线的高分辨TEM像。

图3为生长有氧化钨纳米线的碳布样品的场发射电流密度-电场强度曲线示意图，插图是其F-N曲线。

图4为生长有氧化钨纳米线的碳布样品的场发射稳定性曲线示意图。

图5为没有生长氧化钨纳米线的碳布的场发射电流密度-电场强度曲线示意图。

图6为柔性冷阴极材料的电学测试示意图，其中图6(a)生长有氧化钨纳米线的碳布样品在不同条件下的电流-电压曲线，6(b)为碳布-氧化钨纳米线与铜片夹层式电学测试曲线(左上角插图是测量示意图，右下角是实物图)。

图7为生长有氧化钨纳米线的导电碳布的热扩散率测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

实施例1

1.剪取碳布3cm×1.5cm大小，清洗并干燥备用。

2.选用陶瓷片作为垫片，先在丙酮中超声清洗5分钟，然后在无水乙醇中超声清洗5分钟。

3.钨舟(100×20×0.3mm)作为加热源，称取2克纯度99.8％钨粉置于钨舟内，滴加少量无水乙醇，将钨粉均匀分散在钨舟内，然后置于真空干燥箱内至无水乙醇完全挥发。

4.将钨舟放在真空加热装置中(350×400mm)，将陶瓷片垫片放在钨舟上，再在垫片上放置碳布，碳布与钨舟距离1mm。先将真空加热装置预抽真空至0.1Pa，然后通入纯度为99.999％氩气作为保护气体，气流量为100标准立方厘米每秒(SCCM)，同时通入纯度为99.999％的氧气作为反应气体，气流量为1SCCM。此时真空气压为100Pa。

5.通过调节电流给钨舟升温，最后升温至1100℃，保持15分钟。

6.保持通气状态下降温(5分钟内降到400℃以下)，直至冷却至室温。

7.取出碳布，碳布上有均匀生长的蓝色区域。

实施例2

1.剪取碳布2cm×1cm大小，清洗并干燥备用。

2.选用硅片作为垫片，先在丙酮中超声清洗5分钟，然后在无水乙醇中超声清洗5分钟。

3.钨舟(120×10×0.3mm)作为加热源，称取1克纯度99.8％钨粉置于钨舟内，将钨粉均匀分散在钨舟内。

4.将钨舟放在真空加热装置中(350×400mm)，将硅片垫片放在钨舟上，再在垫片上放置碳布，碳布与钨舟距离1.2mm。先将真空加热装置预抽真空至0.1Pa，然后通入纯度为99.999％氮气作为保护气体，气流量为50标准立方厘米每秒(SCCM)，同时通入纯度为99.999％的氧气作为反应气体，气流量为0.5SCCM。此时真空气压为66Pa。

5.通过调节电流给钨舟升温，最后升温至1120℃，保持15分钟。

6.保持通气状态下降温(5分钟内降到400℃以下)，直至冷却至室温。

7.取出碳布，碳布上有均匀生长的蓝色区域。

对制备的样品，用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行分析，确定碳布上生长的物质的形貌、物质结构和成份等等。最后测试了样品的场致电子发射性能、导电和导热性能。以下结合附图进行说明。

图1(a)是生长氧化钨纳米线之后碳布的光学照片，虚线框区域是生长氧化钨纳米线，插图(1)和(2)分别显示的是样品在轻微弯曲和大角度弯曲下光学照片，可以看出氧化钨纳米线在碳布上均匀生长，并且能保持很好的柔性，可弯曲角度高达180°。图1(b)和(c)分别是生长氧化钨纳米线之前和之后的碳布SEM照片，图1(b)的右上角插图是低倍SEM图，照片显示碳布由直径约10微米的碳纤维编织而成，氧化钨纳米线在碳纤维上均匀包覆生长，图1(d)是氧化钨纳米线的高倍SEM照片，显示氧化钨纳米线长约10-20微米，具有非常尖细的尖端，非常有利于场致电子发射。图2分别是氧化钨纳米线的XPS、Raman、TEM和EDS测试，通过测试结果综合分析可以得知所生长的纳米线是W₂₀O₅₈，生长方向是(010)晶向，晶格间距为0.38nm。

图3是碳布上生长有氧化钨纳米线的场发射测试结果。从中可以看出发射电流密度达到10mA/cm²时，电场强度为4.30MV/m，而与之对比的图5中没有生长氧化钨纳米线的碳布则需要约8.7MV/m的电场强度才能达到10mA/cm²的发射电流密度。这说明氧化钨纳米线有效的增强了场发射性能，降低了场发射所需的阈值电场强度。图4是生长有氧化钨纳米线的碳布场发射电流随时间变化的曲线，其说明样品的场发射稳定性非常好，电流密度波动范围小于5％。

图6是生长有氧化钨纳米线碳布的电学测试，其中(a)图表明样品在平直状态和弯曲状态下，其两端的电阻值变化非常小，电流-电压曲线表现出纯电阻特性，电阻值为3.32Ω。(b)图结果显示氧化钨纳米线也具有优良的导电性能，碳布-氧化钨纳米线-铜片之间的电阻值为3.22Ω。良好的导电性能决定了样品具有承受较大场发射电流密度的能力，场发射测试数据证明了样品可以承受12mA/cm²甚至更高的电流密度，这是目前文献所报道的柔性场发射阴极材料的最高值，比已报道的高分子聚合物衬底生长碳纳米管的阴极材料相比高出100倍。

图7是生长有氧化钨纳米线的碳布材料的导热性能测量，结果显示其热扩散率为8.7x10^-7m²/s，热导系数为1.6W/(m·K)，这比常见的高分子聚合物衬底的导热性能高出10倍，相比采用高分子聚合物衬底的柔性场发射阴极材料，基于碳布的氧化物纳米线材料具有更好的热稳定性能，这也是其能承受高的场发射电流密度长时间保持场发射电流稳定而不会被烧毁的原因。

从上述分析结果可以得出结论，本发明通过在导电碳布上利用热蒸发法生长氧化钨纳米线，可以制备同时具有良好柔性的高电导和导热性的场发射阴极材料，其可以承受较高的电流密度，阈值电场(对应电流密度为10mA/cm²)约为4.30MV/m，这种冷阴极材料在柔性场发射平板显示器和柔性微纳电子学等领域中有广泛的运用前景。

Claims (2)

1.一种柔性冷阴极材料的制备方法，具体为：在填充有保护气体和氧气的真空加热装置中，加热，钨粉与氧气发生氧化反应，在碳布上生成氧化钨纳米线，得到柔性冷阴极材料。

2.根据权利要求1所述的柔性冷阴极材料的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氩气或氮气。

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