一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构和方法技术

本发明专利技术一种基于氧化石墨烯/石墨烯‑ZnO微结构的场发射调控结构和方法，能够对微型发射区域的场发射进行精细控制，同时同一发射体顶端能够实现不同电流密度和强度的场发射。所述的场发射调控结构包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层，表面发射层两侧设置的金电极，表面发射层上方设置的外加电极；表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域；金电极上连接内驱电压，外加电极上连接外加电压，硅基底连接地线。

A field emission of graphene ZnO micro structure of graphene oxide / control structure and method based on

The invention relates to a field emission of graphene ZnO micro structure of graphene oxide / control structure and method based on field emission can fine control of micro emission region, field emission and top the same emitter can achieve different current density and strength. The field emission control structure includes a silicon substrate, ZnO nano arrays of vertically aligned growth on silicon substrate, coating on the surface of ZnO nano array top emitting layer, surface emitting gold electrode layer arranged on both sides of the surface emitting an electrode layer is arranged above the surface; emitting layer structure is integrally arranged by graphene oxide and block graphene blocks; graphene oxide block in the transverse and / or vertical interval were set, the remaining area was filled by graphene blocks; graphene oxide blocks with different thickness and different reduction degree of graphene and block the formation of micro emission region; the gold electrode is connected with the inner drive voltage, and electrode connection voltage silicon connected wire.

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构和方法
本专利技术涉及冷阴极结构的场发射调控，具体为一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构和方法。
技术介绍
冷阴极材料的研究工作目前主要集中在制备场发射性能优异的新材料，或者是研究者通过纳米粒子来修饰已有的发射材料形成新的发射体复合材料，但这种制备或修饰后的发射体材料仅仅是宏观的增加整个冷阴极上的场发射电流，如图5所示，而不能实现在某一发射体上特定区域内发射电流的控制，也更不能对发射体上微型区域内的发射电流实现调制。并且现有的冷阴极材料试验中，一次只能发射一种密度和强度的电流，无法满足实际的需求，试验效率低；要进行多种试验的话，只能是逐个参数的去一一做实验，整个发射材料的场调控上也无法微型化，无法实现真正用于细腻精细显示技术上的冷阴极发射体材料。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构和方法，结构简单，设计巧妙，能够对微型发射区域的场发射进行精细控制，同时同一发射体顶端能够实现不同电流密度和强度的场发射。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层，表面发射层两侧设置的金电极，表面发射层上方设置的外加电极；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域；所述金电极上连接内驱电压，所述外加电极上连接外加电压，硅基底连接地线。优选的，所述的表面发射层上的氧化石墨烯区块和石墨烯区块呈棋盘状设置；相邻形成十字形的五个石墨烯区块中，中间的石墨烯区块厚度最小。优选的，所述的表面发射层的两两相邻石墨烯区块之间厚度差最小为0.34nm，氧化石墨烯区块的厚度相同，表面发射层厚度为0.8-30nm。优选的，内驱电压的电压大小小于5V；外加电压的电压大小不高于300V。一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控方法，包括如下步骤，步骤一，制备氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构；步骤1，将氧化石墨烯包覆在硅基底上生长的ZnO纳米阵列顶端；步骤1.1，在硅基底上生长ZnO纳米阵列结构；步骤1.2，在ZnO阵列上包覆PMMA，使得ZnO阵列全部位于PMMA中；步骤1.3，等离子刻蚀ZnO阵列顶端的PMMA部分，形成PMMA-ZnO结构；步骤1.4，在PMMA-ZnO结构表面包覆氧化石墨烯片形成GO-PMMA-ZnO结构；步骤2，在GO-PMMA-ZnO结构表面制备微型图案化区域，即形成GO/G-ZnO结构；步骤2.1，在GO-PMMA-ZnO结构上第一次横向溅射第一条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第一条状石墨烯；步骤2.2，采用HCl刻蚀第一条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.3，第二次纵向溅射第二条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第二条状石墨烯；步骤2.4，继续用HCl刻蚀第二条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.5，多次重复进行上述步骤2.2和2.3，再横向与纵向交替过程中形成GO/G-PMMA-ZnO结构；步骤2.6，移除PMMA形成GO/G-ZnO微结构；步骤二，在GO/G-ZnO微结构上引入驱动电场；在GO/G-ZnO结构中，利用磁控溅射在GO/G层的两端制备添加Au电极，在Au电极上引入内驱电压；在GO/G-ZnO结构上部设置平行于硅基底的外加电极，在外加电极上引入外加电压；将硅基底接地；步骤三，通过调节内驱电压，同时调节外加电压对基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射进行调控的目的。优选的，步骤1.4中，将GO粉末超声均匀分散在水溶液中并做离心处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液，通过对氧化石墨烯溶液电泳沉积将GO片均匀包覆在PMMA-ZnO纳米阵列顶端形成GO-PMMA-ZnO结构。优选的，溅射条状Zn薄膜时，通过掩膜光刻技术，在GO-PMMA-ZnO结构顶端的GO层上采用磁控溅射制备厚度小于20nm，宽度不大于300nm的条状Zn薄膜。优选的，使用摩尔浓度为0.05-01M的HCl溶液刻蚀处理Zn薄膜形成条状石墨烯区域。优选的，步骤2.5中，多次重复进行上述步骤2.2和2.3，再横向与纵向交替过程中，在GO-PMMA-ZnO结构顶端的GO层表面将形成由各种不同层数和不同还原程度的GO与石墨烯相间组成的微型发射区域，得到GO/G-PMMA-ZnO结构，移除PMMA形成GO/G-ZnO结构。优选的，步骤三中，具体的通过调节内驱电压，使得微型发射区表面有更多的电子做垂直发射，同时调节外加电压使得基底和ZnO纳米阵列底部的电子有效地输运到ZnO纳米阵列的顶部并转移到表面微型区域，从而实现对基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述结构，利用石墨烯(G)独特的电子输运特性和结构特征，以氧化石墨烯(GO)为原材料将其包覆在ZnO纳米阵列顶端，并减薄石墨烯层数、还原处理等形成不同区域来影响ZnO纳米阵列顶端微型发射区域的电子发射密度和强度，调控电子发射过程，得到场发射性能优异的并由氧化石墨烯(GO)与各种不同层数和不同还原程度的石墨烯相间组成的微型发射区域。结合石墨烯材料的二维电子发射特性，在GO/G的微型发射区域上设计内驱电极，结合外加电场来增加电子的垂直发射几率，进一步拓宽了场发射电流的调控思路，实现微纳区域内的可控电子发射。从而能够对所得材料进行场发射性能测试，根据实验结果系统分析溅射参数、Zn薄膜厚度、条形区域宽度、减薄次数以及微型区域大小等因素对场发射性能的影响，同时根据场发射过程中光电子图像，研究不同微型区域内的电子发射密度和强度与上述影响因素的依赖关系。进一步的，在5V以内的内驱电压用于增加电子的垂直发射几率，降低平行发射的电子数量；外加电压是为了将基底上或纳米阵列底端更多的电子抽取和输运到ZnO纳米阵列顶端，而且能减少电子输运过程中的摇摆效应并能转移到表面微型区域中去，与传统的二极场发射结构的高达几千伏的电压相比，此结构中的外加电压可以降低到300V以内。本专利技术在所述方法一维ZnO纳米阵列顶端采用电泳沉积技术制备GO层，利用磁控溅射氧化锌能将GO还原成石墨烯，并结合利用盐酸刻蚀锌的过程中也能将石墨烯的层数减薄这一科学思想，通过多次的掩膜溅射及刻蚀，实现在ZnO纳米阵列顶端得到GO/G相间微型区域。由于GO和G不同的结构特点和不同的电学特性，并且通过多次的制备过程使得这些区域上的石墨烯层数也不相同，所以在ZnO纳米阵列顶端得到GO/G相间的不同微型场发射区域，通过在GO/G-ZnO结构上利用磁控溅射技术设计制备添加Au电极，通过引入内驱电场来增加石墨烯表面电子的垂直发射，以便有效的来调制不同微型区域内场发射过程中电子发射的密度和强度，实现在发射体顶端微型区域上的不同发射电流和发射过程的调控，可为真正细腻精细显示技术的工艺开发和生产制备提供实验参数。进一步的，通过离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于氧化石墨烯/石墨烯‑ZnO微结构的场发射调控结构，其特征在于，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层，表面发射层两侧设置的金电极，表面发射层上方设置的外加电极；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域；所述金电极上连接内驱电压，所述外加电极上连接外加电压，硅基底连接地线。

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构，其特征在于，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层，表面发射层两侧设置的金电极，表面发射层上方设置的外加电极；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域；所述金电极上连接内驱电压，所述外加电极上连接外加电压，硅基底连接地线。2.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构，其特征在于，所述的表面发射层上的氧化石墨烯区块和石墨烯区块呈棋盘状设置；相邻形成十字形的五个石墨烯区块中，中间的石墨烯区块厚度最小。3.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构，其特征在于，所述的表面发射层的两两相邻石墨烯区块之间厚度差最小为0.34nm，氧化石墨烯区块的厚度相同，表面发射层厚度为0.8-30nm。4.根据权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控结构，其特征在于，内驱电压的电压大小小于5V；外加电压的电压大小不高于300V。5.一种基于氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构的场发射调控方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤一，制备氧化石墨烯/石墨烯-ZnO微结构；步骤1，将氧化石墨烯包覆在硅基底上生长的ZnO纳米阵列顶端；步骤1.1，在硅基底上生长ZnO纳米阵列结构；步骤1.2，在ZnO阵列上包覆PMMA，使得ZnO阵列全部位于PMMA中；步骤1.3，等离子刻蚀ZnO阵列顶端的PMMA部分，形成PMMA-ZnO结构；步骤1.4，在PMMA-ZnO结构表面包覆氧化石墨烯片形成GO-PMMA-ZnO结构；步骤2，在GO-PMMA-ZnO结构表面制备微型图案化区域，即形成GO/G-ZnO结构；步骤2.1，在GO-PMMA-ZnO结构上第一次横向溅射第一条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第一条状石墨烯；步骤2.2，采用HCl刻蚀第一条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.3，第二次纵向溅射第二条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第二条状石墨烯；步骤2.4，继续...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海霞，丁继军，屈永锋，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61