CN103050346B - 场致发射电子源及其碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场致发射电子源及其碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法，包括导电基底、石墨烯薄膜层和定向垂直于石墨烯薄膜层的碳纳米管阵列，所述石墨烯薄膜层粘附在导电基底上，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的一端与石墨烯薄膜层连接形成一个整体结构。本发明大大提高碳纳米管阵列场发射电子源的发射能力和稳定性，使得本发明的电子源获得高效稳定的发射电流以及可以承受极高的发射电流密度。

Description

场致发射电子源及其碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域，具体涉及一种场致发射电子源及其碳纳米管石墨烯复合结构制备方法。

背景技术

真空电子器件现在正呈快速发展趋势，市场需求的日益增大，特别是微型化真空电子器件和集成真空电子器件是目前发展的重点方向。场发射电子源在低温或者室温下工作，与目前电真空器件中的热电子源相比具有亮度高、功耗低、能量散射小、响应速度快以及无热蒸散等优点，因此作为真空电子器件电子源，可使真空电子器件性能大幅度提高。

场致发射阴极电子源的示意图如图1所示，图中1为发射体，如钼尖端、碳纳米管等。在外加电场的作用下，发射体顶端处具有很高的电场强度，使其表面势垒降低并减薄，由于隧道效应，大量电子从发射体逸出至真空中形成自由电子。

碳纳米管具有纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等特性，使之成为理想的场致发射材料。但利用碳纳米管作为场发射电子源，碳纳米管与基底接口处的电阻比较大，同时与基底接触部分的导热能力大大低于碳纳米管，在强流发射时会产生大量焦耳热使接口处温度过高而烧毁，甚至导致碳纳米管场致发射阴极完全失效。图2是碳纳米管阵列大电流发射后的SEM照片，由图2可以看见，在碳纳米管与基底接触处存在许多溶化的小坑，溶化点就是因为大电流发射时，因碳纳米管与基底处导热导电性能不好，产生了大量焦耳热而又无法快速散发出去，导致局部温度过高而使基底溶化。

石墨烯是一种新型的碳材料，具有优异的导电性能、导热性能、机械力学性能。石墨烯作为场致发射材料，也表现出优异的特性。由于石墨烯具有优异的导电能力和导热能力，以及稳定的化学性能，从石墨烯的边缘也可以获得10⁷ ~10⁸A/cm²的场致发射电流密度。但石墨烯要求边缘竖立于基底才能获得良好的发射性能，工艺上要实现石墨烯按照一定的空间分布竖立于基底非常困难，因此，目前石墨烯的有效电流密度非常小，无法满足真空电子器件的要求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种碳纳米管石墨烯复合结构的场致发射电子源，其旨在解决现有的场致发射电子源中场致发射阴极阵列存在的发射稳定性差、总发射电流低以及场致发射体与基底之间存在接触热阻并且接触电阻很大导致导热和导电性能很差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种场致发射电子源，其特征在于，包括导电基底、石墨烯薄膜层和定向垂直于石墨烯薄膜层的碳纳米管阵列，所述石墨烯薄膜层粘附在导电基底上，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的一端与石墨烯薄膜层连接形成一个整体结构。

所述碳纳米管的直径为1nm~100nm；所述碳纳米管束的直径为10nm~100μm；所述碳纳米管线宽度为10nm~100μm。

所述石墨烯薄膜层为多层或单层。

所述导电基底为金属基片或覆盖有金属电极的其他材料。

所述场致发射电子源的碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法，其特征在于，碳纳米管与石墨烯薄膜同时生长，碳纳米管的一端与石墨烯形成原子级的相连，形成C-C共价键，其制备过程包括以下步骤：

①选用硅片或者其他材料作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水去除表面脏物，得到干净的硅表面；

②采用真空镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方法在基底上沉积一层适合石墨烯生长的连续薄膜，如镍、铜、铁等单质材料或者相关合金薄膜；

③采用高精度光刻技术，在镀膜好的基底上制备出根据设计要求的微孔阵列或者线条阵列；

④材料真空蒸发镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方式在光刻好的基底上域分别沉积适合适合沉积碳纳米管生长的催化剂堆栈层材料；

⑤采用微波等离子体化学气相沉积法（MWCVD）、或者离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、或者其他类型的CVD方法实现碳纳米管阵列和石墨烯同时生长。

所述场致发射电子源的碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法，其特征在于， 在生长好碳纳米管后，再在碳纳米管阵列之间的空隙处制备连续的石墨烯，碳纳米管与石墨烯之间没有形成C-C共价键，其制备过程包括以下步骤：

①选用硅片或者其他材料作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水去除表面脏物，得到干净的硅表面；

②采用高精度光刻技术，在镀膜好的基底上制备出根据设计要求的微孔阵列或者线条阵列；

③采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方式在光刻好的基底上域分别沉积适合适合沉积碳纳米管生长的催化剂堆栈层材料；

④采用微波等离子体化学气相沉积法（MWCVD）、或者离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、或者其他类型的CVD方法实现碳纳米管阵列的生长；

⑤采用真空镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方法在基底上沉积一层适合石墨烯生长的连续薄膜，如镍、铜、铁等单质材料或者相关合金薄膜；

⑥采用微波等离子体化学气相沉积法（MWCVD）、或者离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、或者其他类型的CVD方法实现石墨烯连续膜的生长；

当然，第⑤和第③、第④步骤可以根据需要调整顺序。

所述场致发射电子源的碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法，其特征在于，  先制备好石墨烯薄膜，再在石墨烯薄膜上生长碳纳米管阵列，碳纳米管与石墨烯之间没有形成C-C共价键；其制备过程以下步骤：

①选用硅片或者其他材料作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水去除表面脏物，得到干净的硅表面；

②采用真空镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方法在基底上沉积一层适合石墨烯生长的连续薄膜，如镍、铜、铁等单质材料或者相关合金薄膜；

③采用微波等离子体化学气相沉积法（MWCVD）、或者离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、或者其他类型的CVD方法实现石墨烯连续膜的生长；

④采用高精度光刻技术，在石墨烯连续膜上制备出根据设计要求的微孔阵列或者线条阵列；

⑤采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜或者其他镀膜方式在光刻好的基底上域分别沉积适合适合沉积碳纳米管生长的催化剂堆栈层材料；

⑥采用微波等离子体化学气相沉积法（MWCVD）、或者离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、或者其他类型的CVD方法实现碳纳米管阵列的生长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、大大提高碳纳米管阵列场发射电子源的发射能力和稳定性，使得本发明的电子源获得高效稳定的发射电流以及可以承受极高的发射电流密度；

二、适用于对电流发射特性要求较高，特别是要求极高电流密度的场发射器件，例如速调管、行波管、平板显示、电子显微镜、电子束曝光机、高频功率放大器件和X射线管等真空微电子器件。

附图说明

图1为场致发射电子源结构示意图；

图2为碳纳米管阵列经过大电流密度的过流发射后的SEM照片；

图3为碳纳米管与石墨烯同时生长的复合结构的场致发射电子源结构示意图；

图4为先制备好碳纳米管阵列后再制备石墨烯的复合结构的场致发射电子源结构示意图；

图5为先制备好石墨烯连续薄膜，再在石墨烯上生长碳纳米管形成的复合结构场致发射电子源结构示意图；

附图标记为：1为发射体、2为导电层、3为阳极、4为因过热基底溶化形成的小坑、5为碳纳米管束、6为衬底、7为石墨烯与衬底之间的中间层、8为石墨烯、9为碳纳米管阵列。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种碳纳米管石墨烯复合结构的场致发射电子源，包括导电基底、石墨烯薄膜层和定向垂直于石墨烯薄膜层的碳纳米管阵列，所述石墨烯薄膜层粘附在导电基底上，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管的一端与石墨烯薄膜层连接形成一个整体结构。所述碳纳米管的直径为1nm~100nm。所述石墨烯薄膜层为多层或单层。所述导电基底为金属基片或覆盖有金属电极的其他材料。

以直径为100nm~100μm的碳纳米管束为发射单元，或者以宽度为100nm~100μm的微碳纳米管线，容易实现定向生长，可以获得稳定的大发射电流密度，使发射电流可控性更好，大大提高碳纳米管场致发射的稳定性和可靠性；当然采用单根碳纳米管也有可能实现定向垂直于石墨烯的制备，采用本发明的结构可以获得更好的性能。同时引入石墨烯层解决碳纳米管与基底接触不良的问题以获得碳纳米管与基底良好的电接触和热导接触。石墨烯优异的导电性和导热性能，在强发射时产生的焦耳热非常低，产生的焦耳热也能极快地传导出去以避免接触交界面存在的过热而导致基底融化烧毁现象。

Claims (1)

1.一种场致发射电子源的碳纳米管石墨烯复合结构的制备方法，其特征在于， 碳纳米管与石墨烯薄膜同时生长，碳纳米管的一端与石墨烯形成原子级的相连，形成C-C共价键，其制备过程包括以下步骤：

①选用硅片作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水去除表面脏物，得到干净的硅表面；

②采用真空镀膜、溅射镀膜方法在衬底上沉积一层适合石墨烯生长的连续薄膜；

③采用高精度光刻技术，在镀膜好的衬底上制备出根据设计要求的微孔阵列或者线条阵列；

④采用真空蒸发镀膜、溅射镀膜方式在光刻好的衬底上沉积适合碳纳米管生长的催化剂堆栈层材料；

⑤采用微波等离子体化学气相沉积法、或者离子体增强化学气相沉积法实现碳纳米管阵列和石墨烯同时生长。