碳納米場發射陰極及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于場發射技術領域，具體的說是涉及一種碳納米場發射陰極及其制備方 法和應用。
【背景技術】
[0002] 電子發射源是微波管、X射線管、電子推進及電荷控制器件等真空電子器件的核心 部件，在通訊、空間技術、安全檢測、醫療成像等領域有重要應用。場致電子發射原理是通過 外部強電場來壓抑發射表面勢皇，使勢皇的高度降低，寬度變窄，使得物體內部自由電子通 過隧道效應進入真空。場發射陰極不需外加能量，能夠實現瞬時啟動，理論上可以達到很高 的電流密度，是一種很具發展潛力的陰極。
[0003] 用場發射陰極作為電子源的真空電子器件，既可以實現抗輻射、耐高溫、高速度、 高頻率和大功率，同時又能實現小體積、高效率、集成化和低成本，是性能十分理想的新型 電子器件。
[0004] 場發射陣列陰極自從發明以來，嘗試了很多材料。近年來，碳納米管作為一種新型 的碳納米材料，具有巨大的長徑比，優異的導電和導熱性能，非常穩定的機械化學特性，是 一種最有前途的電子場發射材料，其納米級尖端上的電子可以在很低的電場作用下發生隧 穿效應，形成極大的電流。相比傳統熱陰極，碳納米管陰極具有室溫工作、快速響應、易于實 現微型化等優勢，應用于真空電子器件可以優化結構，獲得優異的功率和頻率特性。
[0005] 目前，碳納米管陰極可以采用化學氣相沉積制備。它是將含碳氣體(如甲烷，乙烯， 乙炔等)和還原性氣體(如氫氣)通入高溫爐內，含碳氣體發生熱解，生成的碳原子在催化劑 作用下形成碳納米管。具體如國內專利CN102386042A、CN 101236872A等中形成碳納米管方 法。
[0006] 電泳沉積法是另一種常用的方法，它是將碳納米管、分散劑、電荷添加劑等均勻分 散于水或有機溶劑中，然后，碳納米管在電場作用下向陽極或者陰極移動，并沉積到襯底 上。具體如國內專利CN 102347180A、CN 103346051A和CN 103545158A等中形成碳納米管方 法。
[0007] 當前還公開了采用絲網印刷方法來形成碳納米管層如國內專利CN 103258695A和 直接采用浸漬法形成碳納米管層如CN 104538269A。
[0008] 在這些現有公開的形成碳納米管層的方法中，其通過控制相應的工藝以實現對碳 納米管的長度和形貌、與基體附著力等控制或者通過對碳納米管層的摻雜或者改性處理以 提高碳納米管的發射性能。然而，這些方法制備的碳納米管隨機取向依然較大，從而使得碳 納米管陰極雖然比傳統腐蝕方法得到的單針尖場發射體場發射性能有明顯的提高，但是依 然存在有效發射尖端少，導致發射電流小，且電流在長期的發射過程中迅速衰減導致其發 射穩定性較差，還無法滿足高性能器件應用的要求。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種碳納米場發射陰極及其制 備方法和其應用，以克服現有碳納米場發射陰極存在有效發射尖端少，導致發射電流小，發 射穩定性較差，使其應用受到限制的技術問題。
[0010] 為了實現上述發明目的，作為本發明的一方面，提供了一種碳納米場發射陰極，包 括導電基板、形成于所述導電基板表面的碳納米管層，在所述碳納米管層外表面還形成有 ^硫化鑰和/或^硫化媽納米片層。
[0011] 作為本發明的另一方面，提供了一種碳納米場發射陰極的制備方法，包括如下步 驟：
[0012] 在導電基板表面形成碳納米管層；
[0013] 將二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片分散于有機溶劑中，形成分散液，然后將所述分 散液在所述碳納米管層外表面形成二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層。
[0014] 作為本發明的又一方面，本發明還提供了本發明碳納米場發射陰極的應用范圍， 其能夠在微波器件、攝像和顯示器件、傳感器件、質譜分析用場離子源、真空場效應晶體管 及真空集成電路、新型發光光源、真空高壓開關、X射線管、太赫茲器件中的應用。
[0015] 與現有技術相比，本發明碳納米場發射陰極在碳納米管層表面另形成二硫化鉬/ 二硫化鎢納米片層，使得二硫化鉬/二硫化鎢納米片層中的二硫化鉬/二硫化鎢納米片材料 通過原子間的相互作用，附著于碳納米管的表面，一方面，改變了碳納米管的電子結構，減 少了電子發射需要克服的勢皇，從而降低了碳納米管的開啟電場;另一方面，增加了大量有 效的發射尖端，在顯著提高陰極總發射電流的同時，減少了每根碳納米管的發射電流，使得 碳納米管結構不易因過度發射而破壞，提高了發射穩定性。
[0016] 本發明碳納米場發射陰極制備方法通過將二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片先配制 成分散液，然后在碳納米管層表面形成層結構，使得二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片能夠與 碳納米管的表面修飾，改變了碳納米管的電子結構，減少了電子發射需要克服的勢皇，從而 降低了碳納米管的開啟電場；同時增加了大量有效的發射尖端，在顯著提高陰極總發射電 流的同時，減少了每根碳納米管的發射電流，使得碳納米管結構不易因過度發射而破壞，提 高了發射穩定性，從而使得碳納米管層具有優異的場發射性能。另一方面，本發明方法工藝 簡單易操作，保證了碳納米場發射陰極的性能穩定，降低了其生產成本。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明實施例碳納米場發射陰極結構示意圖；
[0018] 圖2為本發明實施例碳納米場發射陰極制備方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合 實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本發明，并不用于限定本發明。
[0020] 一方面，本發明實施例提供了一種有效發射尖端多，發射穩定性高的碳納米場發 射陰極。所述碳納米場發射陰極的結構如圖1所示，其包括導電基板1、形成于所述導電基板 1表面的碳納米管層2和形成于所述碳納米管層2外表面的二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片 層3。
[0021] 其中，上述導電基板1可以是鐵、鈦、銅、鉻、鈷、鎳、鎢、鉬、金、鉑等金屬基板，或者 是鍍覆鐵、鈦、鎳、鈷、鉻、銅、鎢、鉬、金、鉑等金屬導電涂層的絕緣基板。絕緣基板可以是玻 璃、陶瓷、硅片等。金屬涂層可以采用磁控濺射、電子束蒸發，氣相沉積法或化學鍍法中的至 少一種進行鍍覆。
[0022] 上述碳納米管層2形成于所述導電基板1表面的方法可以是采用本領域常規的如 絲印印刷、氣相沉積、電泳沉積法或者直接浸漬等方式形成。但是應當理解的是，不管是如 何形成于導電基板1表面，應當是形成的碳納米管層2與導電基板1結合牢固，碳納米管形貌 和尺寸有利于提高其場發射性能。因此，在一實施例中，碳納米管層中的碳納米管直徑為1-20nm，長度可以是1-100μπι。在一具體實施例中，所述碳納米管直徑為l-20nm，長度為10-100 μπι;在另一實施例中，所述碳納米管長度為1-20μπι，直徑為10-20nm。
[0023] 在進一步實施例中，所述碳納米管可以是單壁碳納米管、經過修飾的單壁碳納米 管、多壁碳納米管、經過修飾的多壁碳納米管中的至少一種。其中，經過修飾的單壁碳納米 管和經過修飾的多壁碳納米管的修飾方式可以是本領域中已知的方法。
[0024] 通過對上述碳納米管層2中的碳納米管的尺寸、形貌以及種類進行選用，以提高碳 納米管層2的場發射性能。
[0025] 上述二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3的設置，其結合在上述碳納米管層2的表 面，對碳納米管層2進行改性修飾，其一方面能夠改變碳納米管的電子結構，減少了電子發 射需要克服的勢皇，從而降低了碳納米管的開啟電場;另一方面，增加了大量有效的發射尖 端，在顯著提高陰極總發射電流的同時，減少了每根碳納米管的發射電流，使得碳納米管結 構不易因過度發射而破壞，提高了發射穩定性。
[0026] 由于碳納米管層2中碳納米管特定結構和形貌，因此，結合在碳納米管層2表面的 二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3中的二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片是以分散納米片的 狀態分布于碳納米管壁的外表面，也即是二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3是形成于碳納 米管壁的外表面。在優選實施例中，二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3是包覆每根碳納米 管壁整個表面。
[0027] 在一實施例中，所述二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3中的二硫化鉬和/或二硫 化媽納米片材料的厚度為l_4nm，橫向尺寸為50-300nm。通過對二硫化鉬和/或二硫化媽納 米片材料尺寸的控制和優化，進一步發揮二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片對碳納米管層2的 改性修飾作用，提高本發明實施例碳納米場發射陰極的場發射性能。
[0028] 由上述可知，本發明實施例碳納米場發射陰極采用二硫化鉬和/或二硫化鎢納米 片對碳納米管層2中碳納米管進行改性修飾，從而改變了碳納米管的電子結構，減少了電子 發射需要