利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，特別是涉及一種利用激光納米焊接來增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法。
【背景技術】
[0002]—維納米材料具有獨特的結構形態和優異的電子學特性，在制造納電子器件方面具有非常重要的應用前景。自1991年日本科學家Iijima發現碳納米管(CNTs)以來，由于其特殊的管狀結構，良好的導電率，熱穩定性，大的長徑比和小的曲率半徑，使其在場發射冷陰極領域內有杰出貢獻，但存在的關鍵問題是單壁碳納米管與金屬基底之間不易形成可靠的電接觸，接觸阻抗過大。這一問題將導致以單壁碳納米管為構筑模塊制備的納電子器件的突出性能得不到很好的體現，在很大程度上限制了納電子器件的研制和實際應用。
[0003]近年來，涌現出多種CNTs發射陰極的制備方法，如直接生長法，絲網印刷法以及電泳沉積法等。但由于直接生長法存在實驗環境不易控制，絲網印刷法存在有機物殘留，電泳沉積法所獲連接不可靠，限制了其在納電子領域的進一步發展和應用。同時，為了改進上述方法，有學者提出了一種較為新穎的超聲波納米焊接方法，成功實現了 CNTs與Ti基底之間的連接，其結果得到了改善，但超聲納米焊接存在著一定的不足，比如固定不變的一次焊接面積;焊頭與納米材料的直接接觸導致焊區雜質的殘留；由于壓緊力的作用可能導致焊接過程中焊頭與樣件的相對滑動，這些問題都限制著超聲波納米焊接進一步在場發射冷陰極領域內的應用。
[0004]鑒于目前激光納米焊接技術發展不甚成熟，性能不穩定，生產難以規模化等現狀，深入開展實驗研究激光納米焊接工藝特點并確定最佳焊接工藝變得尤為重要。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是要提供一種利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，它不但能克服現有技術的不足，而又利用激光納米焊接技術使單壁碳納米管與金屬基底之間形成良好的機械和電學接觸，來增強單壁碳納米管薄膜場發射性能。
[0006]為了達到上述的目的本發明是這樣實現:本發明的利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法包括以下步驟:
1)對金屬基底表面的預處理，將金屬基底放入無水乙醇或丙酮溶液，在超聲池中進行超聲洗清；
2)在步驟I)處理好的金屬基底表面以沉積方法沉積單壁碳納米管薄膜；
3)對步驟2)的金屬基底表面沉積單壁碳納米管薄膜施加激光納米焊接，在激光能量與沖擊波的共同作用下，單壁碳納米管薄膜被壓入熔融的金屬基底表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管薄膜嵌入金屬基底表面形成納米材料與金屬基底的穩固連接，得到場發射性能增強的單壁碳納米管薄膜。
[0007]所述金屬基底為Al，Ni，Ti或Cu中的任意一種。
[0008]所述超聲的時間為10?15min。
[0009]所述沉積的方法為電泳沉積法或旋轉涂覆法。
[0010]所述激光納米焊接為:使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重復頻率為10kHz，激光的功率為50?115mW，激光的掃描速度為20?200mm/min，負離焦為0.03?0.08mm，光斑重疊率為30?50%。
[0011]本發明的利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法的特點主要為當激光輻射到金屬表面時，光子將與金屬晶體中的公有化電子發生非彈性碰撞，并被電子吸收。吸收光子后的電子上升到高能態，增強了晶格的熱震蕩，從而使金屬表面原子升溫、軟化，進而產生微熔；同時激光的沖擊波將單壁碳納米管壓入熔融的金屬表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管嵌入金屬表面形成納米材料與金屬基底的穩固連接。并且激光納米焊接處理后的焊區性能同其它復雜的物理、化學吸附方法相比，具有接觸阻抗小、穩定性高、機械性能強等優點。與超聲納米焊接相比，在不改變焊頭的前提下，激光納米焊接可以自由控制焊接面積的大小;而且在焊接過程中，由于焊頭與樣件不接觸，保證了焊接區域的潔凈及避免了樣件在焊接過程中產生偏移，保證焊接的質量。焊接后的單壁碳納米管場發射陰極具有低的開啟電壓，高的發射電流密度和良好的穩定性。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的鋁基單壁碳納米管薄膜焊接前后的場發射曲線的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]以下將對本發明的利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法作進一步的詳細描述。
[0014]實施例1 該方法包括以下步驟:
1)對金屬基底表面的預處理，將金屬基底放入無水乙醇或丙酮溶液，所述金屬基底為Al，Ni，Ti或Cu中的任意一種，在超聲池中進行超聲洗清，所述超聲的時間為10?15min;
2)在步驟I)處理好的金屬基底表面以沉積方法沉積單壁碳納米管薄膜，所述沉積的方法為電泳沉積法或旋轉涂覆法；
3)對步驟2)的金屬基底表面沉積單壁碳納米管薄膜施加激光納米焊接，在激光能量與沖擊波的共同作用下，單壁碳納米管薄膜被壓入熔融的金屬基底表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管薄膜嵌入金屬基底表面形成納米材料與金屬基底的穩固連接，得到場發射性能增強的單壁碳納米管薄膜，所述激光納米焊接為:使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重復頻率為10kHz，激光的功率為50?115mW，激光的掃描速度為20?200mm/min，負離焦為0.03?0.08mm，光斑重疊率為30?50%。
[0015]實施例2 該方法包括以下步驟:
I)對鋁基底表面進行預處理，將鋁基底放入無水乙醇溶液中，在超聲池中超聲清洗1min; 2)利用電泳沉積的方法在鋁表面沉積單壁碳納米管薄膜，將2mg單壁碳納米管及2mgMg(NO3)26H20加入到10ml異丙醇溶液中制得電泳液，電泳條件，不銹鋼板作為陽極，鋁作為陰極，兩電極間距2cm，電泳電壓30V，電泳時間I Omin;
3 )對沉積有單壁碳納米管薄膜的樣件進行激光納米焊接，使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重復頻率為I OOkHz，激光的功率為50mW，激光的掃描速度為100mm/min，負離焦為0.08mm，光斑重疊率為37.5%。
[0016]實施例3 該方法包括以下步驟:
1)對鎳基底表面進行預處理，將鎳基底放入丙酮溶液中，在超聲池中超聲清洗15min;
2)利用電泳沉積的方法在鎳表面沉積單壁碳納米管薄膜，將2mg單壁碳納米管及2mgMg(N03)26H20加入到10ml異丙醇溶液中制得電泳液，電泳條件，不銹鋼板作為陽極，鎳作為陰極，兩電極間距2cm，電泳電壓30V，電泳時間8min;
3 )對沉積有單壁碳納米管薄膜的樣件進行激光納米焊接，使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重
復頻率為100kHz，激光的功率為115mW，激光的掃描速度為100mm/min，負離焦為
0.05mm，光斑重疊率為37.5%。
[0017]實施例4 該方法包括以下步驟:
1)對鈦基底表面進行預處理，將鈦基底放入丙酮溶液中，在超聲池中超聲清洗15min;
2)利用電泳沉積的方法在鈦表面沉積單壁碳納米管薄膜，將2mg單壁碳納米管及2mgMg(N03)26H20加入到10ml異丙醇溶液中制得電泳液，電泳條件，不銹鋼板作為陽極，鈦作為陰極，兩電極間距2cm，電泳電壓20V，電泳時間15min;
3 )對沉積有單壁碳納米管薄膜的樣件進行激光納米焊接，使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重復頻率為10kHz，激光的功率為108mW，激光的掃描速度為100mm/min，負離焦為0.03mm，光斑重疊率為37.5%。
【主權項】
1.一種利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)對金屬基底表面的預處理，將金屬基底放入無水乙醇或丙酮溶液，在超聲池中進行超聲洗清； 2)在步驟I)處理好的金屬基底表面以沉積方法沉積單壁碳納米管薄膜； 3)對步驟2)的金屬基底表面沉積單壁碳納米管薄膜施加激光納米焊接，在激光能量與沖擊波的共同作用下，單壁碳納米管薄膜被壓入熔融的金屬基底表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管薄膜嵌入金屬基底表面形成納米材料與金屬基底的穩固連接，得到場發射性能增強的單壁碳納米管薄膜。2.根據權利要求1所述利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，其特征在于所述金屬基底為Al，Ni，Ti或Cu中的任意一種。3.根據權利要求1所述利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，其特征在于所述超聲的時間為1?15min。4.根據權利要求1所述利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，其特征在于所述沉積的方法為電泳沉積法或旋轉涂覆法。5.根據權利要求1所述利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法，其特征在于所述激光納米焊接為:使用皮秒脈沖CO2激光器，激光的光束直徑為8μπι，激光的波長為1064nm，激光的重復頻率為10kHz，激光的功率為50?115mW，激光的掃描速度為20?200mm/min，負離焦為0.03?0.08mm，光斑重疊率為30?50%。
【專利摘要】一種利用激光納米焊接增強單壁碳納米管薄膜場發射性能方法。其特征在于該方法包括以下步驟：1）對金屬基底表面的預處理，將金屬基底放入無水乙醇或丙酮溶液，在超聲池中進行超聲洗清；2）在步驟1）處理好的金屬基底表面以沉積方法沉積單壁碳納米管薄膜；3）對步驟2）的金屬基底表面沉積單壁碳納米管薄膜施加激光納米焊接，在激光能量與沖擊波的共同作用下，單壁碳納米管薄膜被壓入熔融的金屬基底表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管薄膜嵌入金屬基底表面形成納米材料與金屬基底的穩固連接，得到場發射性能增強的單壁碳納米管薄膜。本發明適宜于利用激光納米焊接來增強單壁碳納米管薄膜場發射性能中應用。
【IPC分類】B23K103/18, B82B3/00, B23K26/32, H01J9/02
【公開號】CN105513922
【申請號】CN201510921409
【發明人】劉璇, 李必奎, 王鵬波, 趙煜, 劉鵬鑫, 王亞榮, 孔龍
【申請人】上海海洋大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月14日