CN103928276A - 一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法，其包括以下具体步骤：1)有机前驱体聚硅硼氮烷在气氛烧结炉中于260℃保温30min热交联固化，然后球磨粉碎；2)以碳纸为衬底，在0.05mol/L的Co(NO3)2(纯度：99%)乙醇溶液中浸渍处理，取出自然晾干备用；3)将粉碎得到的粉末置于石墨坩埚底部，浸渍处理的碳纸置于石墨坩埚顶部，一起置于气氛保护炉中；4)在纯度为99.9%的Ar气氛保护下，从室温以25℃/min加热至1550℃；5)以15℃/min从1550℃降温至1100℃；6)随炉冷却至室温，实现原位B掺杂SiC纳米线的制备；7)将SiC纳米线用作场发射阴极进行电子发射性能检测和分析。通过B掺杂，SiC场发射阴极材料的高温电子发射稳定性得到了有效提高。

Description

一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法，属材料制备技术领域。
背景技术
SiC低维纳米材料具有其传统体材料所无法具备的优异电子发射特性。随着科技的不断进步和发展，其开启电场已能够降低至几Vμm-1，甚至低于1Vμm-1。如采用Al2O3纳米粒子修饰的管状SiC的开启电场和阈值电场分别为2.4 Vμm-1 和5.37 Vμm-1；经Al掺杂的SiC纳米线的开启电场和阈值电场仅为0.55~1.54 Vμm-1和1.25~1.88 Vμm-1；SiC/Si纳米异质结构的开启电场为2.6 V μm-1，阵列化SiC纳米线的开启电场可低至0.7-1.5 Vμm-1。已有研究表明，SiC低维纳米结构具有优异的电子发射性能，在场发射阴极材料等领域有着广泛的应用前景。然而其真正应用还有赖于其场发射性能的进一步提高，比如获得更低的开启电场、具备良好的电子发射稳定性等。据文献报道，提高纳米结构场发射性能的主要技术方法有：1) 利用局域场增强效应，制备纳米微尖结构；2) 增加纳米结构电子发射点密度，从而提高其电子发射密度；3) 通过掺杂改性，提高其费米能级附近的电子态密度，以强化电子发射能力。
SiC被认为是重要的第三代宽带系半导体材料之一，在用作高温、高频和高辐射等苛刻服役环境下的器件具有独特而显著的优势。然而，对于SiC场发射阴极材料的研究，目前国内外绝大部份工作仅限于其室温性能，其高温电子发射性能鲜有文献报道，特别是其高温电子发射稳定性的研究，尚未见文献报道。然而，鉴于SiC材料体系的最大优势是能够胜任高温等苛刻服役环境，当其降至纳米尺度时，其高温电子发射特性稳定性到底如何，以及如何进一步强化其电子发射稳定性，相关技术研究对于将来SiC低维纳米材料场发射阴极材料的真正应用，至关重要。
本技术发明期望解决如何提高SiC场发射阴极材料的高温电子发射稳定性的问题。场发射性能检测结果表明，通过原位B掺杂，能够有效提高SiC低维纳米材料的高温电子发射稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该制备原位B掺杂SiC场发射阴极材料的方法，包括以下具体步骤：
1)        有机前驱体热交联固化和粉碎；
2)        碳纸浸渍在一定浓度的催化剂乙醇溶液中，取出后自然晾干备用；
3)        将粉碎得到的有机前驱体粉末，并将经浸渍处理的碳纸衬底放置在坩埚顶部；
4)        将石墨坩埚及衬底一起置于气氛烧结炉中，在高纯氩气氛保护下加热至特定热解温度；
5)        气氛炉温度按一定冷却速率降至1100°C；
6)        随炉冷却至室温，实现原位B掺杂SiC纳米线的制备。
7)       将B掺杂SiC纳米线用作场发射阴极材料进行场发射性能检测和分析。
所述步骤（1）中，使用的原料为聚硅硼氮烷。
所述步骤（2）中，采用碳纸作为衬底，采用纯度为99%的浓度为0.05 mol/L的Co(NO3)2的乙醇溶液浸渍碳纸引入催化剂，亦可采用其他浓度的催化剂溶液浸渍碳纸实现催化剂的引入。
所述步骤（4）中，所采用的烧结设备为石墨电阻气氛烧结炉，热解温度为1550℃。
所述步骤（5）中，所采用的冷却速率为15℃/min。
所述步骤（7）中，场发射性能测试中，阴极为B掺杂的SiC纳米线，阳极为不锈钢，场发射测试仪器的真空度为3x10-7 Pa，场发射测试分别在室温(~27°C)和200°C高温下进行，阴、阳极距离设置为800μm，电压-电流曲线由Keithley 248高压电源进行实时检测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.  本发明实现了原位B掺杂SiC纳米线的场发射阴极材料制备。
2.  与未掺杂SiC低维纳米材料相比，所制备的B掺杂SiC场发射阴极材料具有优异的高温电子发射稳定性。
附图说明
图1  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的X射线衍射（XRD）图；
图2  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的不同放大倍数下的扫描电镜（SEM）图；
图3  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的选区电子衍射（SAED）图；
图4  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的B元素的面扫描图谱；
图5  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的场发射电流密度-电场图谱；
图6  为本发明实施例一所制得未掺杂SiC场发射阴极材料在不同放大倍数下的扫描电镜（SEM）图；
图7  为本发明实施例一所制得的未掺杂SiC场发射阴极材料的电子发射稳定性谱图；
图8  为本发明实施例一所制得的B掺杂SiC场发射阴极材料的电子发射稳定性谱图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细描述。 
实施例一
初始原料选取聚硅硼氮烷(化学成份为：Si0.64BC0.78N1.53O0.25)，在纯度为99.9%的Ar气氛保护下，于260℃保温30min，进行热交联固化。将固化得到的SiBCN固体装入尼龙树脂球磨罐，球磨粉碎成粉末。裁取碳纸5x5 cm(长x宽)，在0.05 mol/L 的Co(NO3)3(纯度：99%)乙醇溶液中浸渍1分钟，取出后置于空气环境中自然晾干。称取0.3 mgSiBCN粉末，置于石墨坩埚底部，并将浸渍处理的碳纸置于石墨坩埚顶部，一起置于石墨电阻加热的气氛烧结炉中。气氛炉先抽真空至10-4 Pa，再充入高纯Ar气（纯度为99.9%），直至压力为一个大气压(～0.11Mpa)，此后压力恒定。然后以25℃/min的速率从室温升温至1550℃，随即以15℃/min的速率降温至1100℃，然后随炉冷却至室温。图1为B掺杂SiC纳米线的场发射阴极材料的XRD图谱，表明所制备的材料相成份为3C-SiC，且具有较高的结晶性。图2~3分别为在碳纸衬底上生长的B掺杂SiC纳米线的SEM和SAED图谱，表明所制备的纳米线为三棱柱结构，其边缘具有无数纳米针尖结构，为单晶。图4为原位掺杂的B元素在SiC纳米线中的面扫描图谱，表明B原子在纳米线具有均匀的空间分布。图5为原位B掺杂SiC纳米线在阴、阳极间距为～800μm时的室温场发射电流密度-电场曲线图，其开启电场（E to ）和阈值电场（E thr ）分别为1.35 Vμm-1和1.70 Vμm-1，表明所制备的B掺杂SiC场发射阴极材料具有优异的场发射性能(当开启电场小于27Vμm-1时，即可商业应用)。为了研究B掺杂对SiC纳米线高温电子发射稳定性的影响，原料采用聚硅氮烷，采用上述完全相同的热解工艺，实现未掺杂SiC纳米线的制备，如图6所示。在200℃高温工作条件下并施加电场1.88 Vμm-1，分别对未掺杂和B掺杂的SiC纳米线的高温电子发射稳定性进行10小时的持续监测。检测结果表明，未掺杂的SiC纳米线的电子发射电流的波动～22%(图7)，而B掺杂SiC纳米线的电子发射波动为～11%(图8)，表明经过B掺杂后，SiC纳米线场发射阴极材料的电子发射稳定性提高了1倍，证明了通过原位B掺杂技术，能够有效提高SiC纳米线的高温电子发射稳定性。

Claims (2)

1.一种提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法，其包括以下具体步骤：
有机前驱体聚硅硼氮烷在气氛烧结炉中于260℃保温30min热交联固化，然后球磨粉碎；
以碳纸为衬底，在纯度为99%的浓度为0.05 mol/L的 Co(NO3)2乙醇溶液中浸渍处理，取出自然晾干备用；
将粉碎得到的粉末置于石墨坩埚底部，浸渍处理的碳纸衬底置于石墨坩埚的顶部，一起置于气氛保护炉中；
在纯度为99.9%的氩气气氛保护下，从室温以25℃/min加热至1550℃；
以15℃/min从1550℃降温至1100℃；
随炉冷却至室温，实现原位B掺杂SiC纳米线的制备；
将SiC纳米线用作场发射阴极进行电子发射性能检测和分析。
2.根据权利要求1所述的提高SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的方法，其特征在于：所述步骤1)中，使用的有机前驱体为聚硅硼氮烷，以实现SiC纳米线的原位B掺杂，从而实现SiC场发射阴极材料高温电子发射稳定性的强化。
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