一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法，该方法将碳纳米管材料与表面活性剂的水溶液相混合，通过真空抽滤使之成膜，然后让其附着在导电胶带的表面，再将该膜置于室温~100℃、空气相对湿度为10~100%、空气对流速度为0~2 m/s的环境条件下让表面自行开裂，之后将其置于真空干燥箱中进行烘干，得到碳纳米管薄膜场发射阴极。实验结果证实，使用本发明专利技术制备得到的碳纳米管薄膜具有十分优异的场发射性能。

A vacuum pumping method for enhancing the field emission properties of carbon nanotube films

The invention discloses a method for improving the field emission performance of carbon nanotube film by vacuum pumping filtration. The method mixes the carbon nanotube material with the aqueous solution of surfactant, makes the carbon nanotube film by vacuum pumping filtration, then makes it adhere to the surface of conductive tape, and then puts the film at room temperature ~100 C and relative humidity of air 10~100%. The carbon nanotube film field emission cathode was prepared by drying it in a vacuum drying oven. The experimental results show that the carbon nanotube film prepared by the method has excellent field emission properties.

【技术实现步骤摘要】
一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法
本专利技术涉及一种薄膜制备技术，特别是应用于真空电子发射与新型平板显示等应用领域中的薄膜制备技术，具体涉及一种采用真空抽滤工艺制备碳纳米管薄膜时如何通过优化工艺参数让薄膜自动呈现出裂纹，以获得性能优异的场发射阴极薄膜材料的方法。
技术介绍
近年来，大量研究成果都表明碳纳米管是最具潜力的场发射平板显示器(FED)阴极材料，而且碳纳米管薄膜FED也有过原型展品面世，但碳纳米管薄膜FED至今难以形成成熟产品，走上平板显示市场。造成这一困难局面的一个重要原因在于碳纳米管薄膜的场发射性能还需进一步提高。鉴于此，改善碳纳米管薄膜场发射器件的性能，包括开启电场和阈值电场，场发射电流密度稳定性，场发射均匀性，薄膜与衬底之间的粘附力等成为场致发射领域的热点研究问题。当前常用的制备碳纳米管阴极薄膜的方法主要包含丝网印刷法、电泳法、喷涂法、浸涂法等，但这些制备方法都存在着各自的缺点，特别是难以控制薄膜的表面形貌而获得性能优异的场发射器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够提高阴极材料场发射性能的方法，通过优化真空抽滤工艺获得表面含有裂纹的碳纳米管薄膜，将其制成场发射阴极可以增强场发射性能，获得性能优异的场发射显示器件。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：制备用于分散碳纳米管的分散剂将质量比为1:10～100的表面活性剂和去离子水混合后，在室温条件下磁力搅拌1～60分钟，使之混合均匀，即为用于分散碳纳米管的分散剂；步骤2：制备碳纳米管分散液取质量比为1:0.2～10的碳纳米管与上述分散剂进行混合，在室温条件下磁力搅拌1～60分钟，再超声处理1～3小时，最后在500～8000转/分钟的转速下离心1～20分钟，得到的上层浑浊液体即为所需的碳纳米管分散液；步骤3：制备碳纳米管发射电极(1)真空抽滤制备碳纳米管薄膜在真空抽滤装置中平铺一张水系微孔滤膜(孔径：0.1～0.5μm)，将制备好的碳纳米管分散液缓缓倒入抽滤瓶中，进行真空抽滤。抽滤速度为1～10毫升每分钟，根据实际情况抽滤时间控制在1～60分钟，并且边抽滤边用去离子水冲洗，直至滤液瓶中没有泡沫出现；然后取下滤膜，此时碳纳米管已经比较均匀地覆盖在滤膜表面，即为所需的碳纳米管薄膜。(2)碳纳米管薄膜的转移与坚膜取出一段导电胶带作为衬底，撕去导电胶带上覆盖的膜层，使其紧贴在碳纳米管薄膜上面。裁剪之后撕开滤膜，让表面的碳纳米管薄膜裸露在外部环境条件下充分自行裂开；再将碳纳米管薄膜放在真空干燥箱内并在50～350℃条件下烘干1～10小时，最后取出待测。步骤4：提高碳纳米管薄膜场发射性能将优化制得的碳纳米管薄膜作为发射阴极组装成场发射器件，置于场发射测试真空系统中。在测试碳纳米管薄膜的场发射性能过程中，该碳纳米管薄膜发射阴极展现出优异的场发射性能，其开启场强低至0.3～0.7V/μm，阈值场强低至0.6～1.1V/μm，其场发射性能有所提高。所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、四聚丙烯苯磺酸钠、二丁基萘磺酸钠、阴离子聚丙烯酰胺、肥皂、羧酸盐、硫酸酯盐或磷酸酯盐。所述胶带为双面导电胶带或单面导电胶带。所述外部环境条件为室温～100℃，空气相对湿度为10～100％，空气对流速度为0～2m/s。本专利技术的有益效果：采取优化的真空抽滤的工艺参数，使制得的碳纳米管薄膜发射阴极自行撕开裂缝，让更多的碳纳米管发射尖端暴露出来，在增强电极本身的场发射能力的同时降低了电场屏蔽效应，从而整体提高了场发射性能，获得性能优异的场发射器件。附图说明图1为本专利技术实施例真空抽滤好的CNT薄膜实物示意图；图2为表面未出现裂纹的碳纳米管薄膜实物图及其SEM俯视图像；图3为表面出现裂纹的碳纳米管薄膜实物图及其中一处裂缝附近的SEM俯视图像；图4为本专利技术实施例的电流密度随场强变化曲线图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不局限于此。本专利技术包括一下具体步骤：步骤1：制备用于分散碳纳米管的分散剂将质量1g的十二烷基苯磺酸钠与100g的去离子水进行混合，在室温条件下磁力搅拌15分钟，使之混合均匀，即为用于分散碳纳米管的分散剂；步骤2：制备碳纳米管分散液取质量100mg的双壁碳纳米管与50ml上述分散剂进行混合，在室温条件下磁力搅拌15分钟，再超声处理1小时，最后在1000转/分钟的转速下离心5分钟，得到的上层浑浊的液体即为实验所需的碳纳米管分散液；步骤3：制备碳纳米管发射电极(1)真空抽滤制备碳纳米管薄膜在真空抽滤装置中平铺一张水系微孔滤膜(孔径：0.45μm)，将制备好的碳纳米管分散液缓缓倒入抽滤瓶中，进行真空抽滤。抽滤速度为2.5毫升每分钟，抽滤时间为30分钟，且边抽滤边用去离子水冲洗，直至滤液瓶中没有泡沫出现；然后取下滤膜，此时碳纳米管已经比较均匀地覆盖在了滤膜表面，即为所需的碳纳米管薄膜。(如图1所示)。(2)碳纳米管薄膜的转移与坚膜取出一段导电胶带作为衬底，撕去导电胶带上覆盖的膜层，使其紧贴在碳纳米管薄膜上面，再将薄膜裁剪成1cm×1cm的方块进行场发射性能测试。撕开滤膜，让样品表面的碳纳米管薄膜裸露在室内环境条件下(温度29℃，湿度50％)充分自行裂开(参考对比图2与图3)。图2a是没有出现裂缝的碳纳米管薄膜的光学照片，图2b是2a的扫描电子显微镜放大图；图3a是表面出现裂缝后的碳纳米管薄膜的光学照片，图3b是3a中裂缝处的扫描电子显微镜放大图。再将碳纳米管薄膜样品放在真空干燥箱内并在80℃条件下烘干5小时，最后取出样品待测。步骤4：提高碳纳米管薄膜场发射性能将优化制得的碳纳米管薄膜(表面含有裂纹)、表面无裂纹的碳纳米管薄膜以及丝网印刷法制备得到的碳纳米管薄膜作为发射阴极分别组装成场发射器件，置于场发射测试真空系统中进行场发射性能对比测试。如图4所示，横轴代表所施加的外部电场强度，用E表示(单位为：伏特每微米)，纵轴代表该薄膜样品的电流发射密度，用J表示(单位为：微安每平方厘米)。通过对比不同的真空抽滤条件，发现优选的具有表面裂纹的真空抽滤样品拥有最好的场发射性能，其场发射性能在电流密度为10μA/cm2处的开启电场为0.52V/μm和在电流密度为1000μA/cm2处的阈值电场为1.05V/μm，比表面未裂开的真空抽滤样品的场发射性能(开启场强为0.71V/μm，阈值场强为1.37V/μm)要低得多，而且比常用的丝网印刷法制备得到的碳纳米管薄膜的场发射性能(开启场强为0.81V/μm阈值场强为1.41V/μm)也更加优异。通过本实施例，本专利技术用于提高碳纳米管薄膜场发射性能的效果非常明显而有效。所述的实施例为本专利技术的优选实施方式，但是本专利技术不限于上述实施方式，在不背离本专利技术的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：步骤1：制备用于分散碳纳米管的分散剂将质量比为1:10~100的表面活性剂和去离子水混合后，在室温条件下磁力搅拌1~60分钟，使之混合均匀，即为用于分散碳纳米管的分散剂；步骤2：制备碳纳米管分散液取质量比为1:0.2~10的碳纳米管与上述分散剂进行混合，在室温条件下磁力搅拌1~60分钟，再超声处理1~3小时，最后在500~8000转/分钟的转速下离心1~20分钟，得到的上层浑浊液体即为所需的碳纳米管分散液；步骤3：制备碳纳米管发射电极（1）真空抽滤制备碳纳米管薄膜在真空抽滤装置中平铺一张水系微孔滤膜，将制备好的碳纳米管混合水溶液缓缓倒入抽滤瓶中，进行真空抽滤；抽滤速度为1~10毫升/分钟，抽滤时间控制在1~60分钟，并且边抽滤边用去离子水冲洗，直至滤液瓶中没有泡沫出现；然后取下滤膜，此时碳纳米管均匀地覆盖在滤膜表面，即为所需的碳纳米管薄膜；其中，所述水系微孔滤膜的孔径：0.1~0.5 μm；（2）碳纳米管薄膜的转移与坚膜取出一段导电胶带作为衬底，撕去导电胶带上覆盖的膜层，使其紧贴在碳纳米管薄膜上面；裁剪之后撕去滤膜，让表面的碳纳米管薄膜裸露在外部环境条件下充分自行裂开而获得优化的碳纳米管薄膜；再将该碳纳米管薄膜置于真空干燥箱内并在50~350℃条件下烘干1~10小时，以去除薄膜中的水分并使得薄膜与衬底具有良好的粘附性，最后取出待测；步骤4：提高碳纳米管薄膜场发射性能将优化制得的碳纳米管薄膜作为发射阴极组装成场发射器件，置于场发射测试真空系统中；在测试碳纳米管薄膜的场发射性能过程中，该碳纳米管薄膜发射阴极展现出优异的场发射性能，其开启场强低至0.3~0.7 V/μm，阈值场强低至0.6~1.1 V/μm。...

【技术特征摘要】
1.一种真空抽滤提高碳纳米管薄膜场发射性能的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：步骤1：制备用于分散碳纳米管的分散剂将质量比为1:10~100的表面活性剂和去离子水混合后，在室温条件下磁力搅拌1~60分钟，使之混合均匀，即为用于分散碳纳米管的分散剂；步骤2：制备碳纳米管分散液取质量比为1:0.2~10的碳纳米管与上述分散剂进行混合，在室温条件下磁力搅拌1~60分钟，再超声处理1~3小时，最后在500~8000转/分钟的转速下离心1~20分钟，得到的上层浑浊液体即为所需的碳纳米管分散液；步骤3：制备碳纳米管发射电极（1）真空抽滤制备碳纳米管薄膜在真空抽滤装置中平铺一张水系微孔滤膜，将制备好的碳纳米管混合水溶液缓缓倒入抽滤瓶中，进行真空抽滤；抽滤速度为1~10毫升/分钟，抽滤时间控制在1~60分钟，并且边抽滤边用去离子水冲洗，直至滤液瓶中没有泡沫出现；然后取下滤膜，此时碳纳米管均匀地覆盖在滤膜表面，即为所需的碳纳米管薄膜；其中，所述水系微孔滤膜的孔径：0.1~0.5μm；（2）碳纳米管薄膜的转移与坚膜取出一段导电胶带作为衬底，撕去导电胶带上覆盖的膜层，使其紧贴在碳纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳威，易春蓉，吴一姗，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31