The invention discloses a high field emission current density carbon nanotube arrays cold cathode and its preparation method. The carbon nanotube arrays are transferred and fixed on the metal support by micro-nano manipulation transfer process to achieve high strength bonding between the carbon nanotube arrays and the metal support, and high field emission current density is prepared. Carbon nanotube array cold cathode with good current and time stability. The preparation process and equipment of the device are simple and controllable. The fabrication process includes: fabricating multi-walled carbon nanotube arrays by chemical vapor deposition; using micro-nano manipulation and adhesive transfer and fixation of carbon nanotube arrays to metal support, obtaining carbon nanotube arrays cold cathodes with high current density and good current and time stability. The invention expands the application field of one-dimensional nanomaterials by improving the bonding strength between carbon nanotube array and matrix, realizing the preparation of field emission cold cathode of carbon nanotube array with high current density and good current and time stability.
【技术实现步骤摘要】
高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法
一种高场发射电流密度碳纳米管阵列场发射冷阴极及其制备方法,涉及利用碳纳米管转移技术制备新器件及其场电子发射特性的研究,属于纳米材料与应用领域。
技术介绍
场电子发射是一种量子过程,在足够高的外电场作用下,电子通过隧穿效应可以从固体表面逸出至真空能级,是低维纳米材料一个重要的电学性能。高性能的场发射器件是纳米材料场发射器件化应用的关键,包括较低的工作电场,高场发射电流密度和良好的时间稳定性,因此如何制备出更切近实际需要的场发射源就显得尤为重要。高性能的场发射器件在制备高性能X光源、新一代真空管、电子加速器的强流电子源、场发射电镜的电子枪、冷阴极场致发射平板显示器等方面都显示出了广阔的应用前景。碳纳米管具有较小的直径和较长的轴向长度的结构特点,这种高长径比的形态有利于在尖端实现较大的电场增强效果,从而在较低电场条件下实现电子发射。同时,碳纳米管本身具有较好的力学特性,理论预测其抗拉强度范围在50~200GPa,大约为钢的100倍,密度却只有钢的1/6;弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍;并且具有很好的韧性。此外,碳纳米管具有良好的导电性和传热性,可以实现在较大电流通过状态下较小的温升。单根碳纳米管的场发射电流密度可以达到105A/cm2以上,此时碳纳米管的温度达到2000K以上。工作温度是室温时,单根碳纳米管的最大场发射电流密度也能达到103A/cm2。按照碳纳米管阵列中纳米管10%的填充系数计算,取向碳纳米管阵列的场发射电流密度估算值也应该能够达到102A/cm2。但是目前在实际测试和器 ...
【技术保护点】
1.高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法,特征是利用碳纳米管阵列的场发射特性,实现室温、低电场强度作用下高密度电流的场电子发射。器件制备过程相对简单,主要包括:模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列的制备;利用微纳操纵转移和胶黏剂将垂直取向多壁碳纳米管阵列粘接在微纳结构金属针尖顶端的转移粘接技术;高场发射电流密度及良好场发射电流‑时间稳定性的基于碳纳米管阵列的场发射冷阴极。
【技术特征摘要】
1.高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法,特征是利用碳纳米管阵列的场发射特性,实现室温、低电场强度作用下高密度电流的场电子发射。器件制备过程相对简单,主要包括:模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列的制备;利用微纳操纵转移和胶黏剂将垂直取向多壁碳纳米管阵列粘接在微纳结构金属针尖顶端的转移粘接技术;高场发射电流密度及良好场发射电流-时间稳定性的基于碳纳米管阵列的场发射冷阴极。2.根据权利要求1所述的高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法,特征是在500~800℃温度下,在硅片和石英玻璃基体表面制备模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列。所述方法包括:2.1硅片和石英玻璃基体的表面清洗:将硅片和石英玻璃分别浸于丙酮、乙醇中超声清洗去除表面的吸附颗粒物和油脂;2.2硅片和石英玻璃基体表面模块化催化剂的制备:利用物理气相沉积技术和掩膜方法,在真空环境中将碳纳米管阵列制备所需的催化剂铁(或钴、镍)纳米颗粒薄膜沉积在硅片和石英玻璃基体衬底上,形成模块化结构的碳纳米管阵列合成所需的催化剂;2.3模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列的制备:将载有催化剂的硅片和石英玻璃转移至真空反应室,在真空环境下,750℃加热20分钟,实现催化剂薄膜高温退火热处理,形成均匀分布小粒径催化剂纳米颗粒膜;通入10~100sccm氢气和1~20sccm乙炔,生长温度控制在500~800℃,微波功率100~800W,通过生长时间的调节,在硅片和石英玻璃衬底上制备出管直径为5~80nm,厚度在200~500μm的模块化垂直取向多壁碳纳米管阵列,每个模块单元面积在1~400μm2,模块单元间距在10~1000μm。3.根据权利要求1所述的高场发射电流密度碳纳米管阵列冷阴极及其制备方法,其特征是利用微纳操纵转移和胶黏剂将垂直取向多壁碳纳米管阵列粘接在微纳结构金属针尖顶端的转移粘接方法。所述方法包括:3.1微纳结构金属支撑体的制备:以0.5-2.0mm直径的金属丝为原材料,清洗...
【专利技术属性】
技术研发人员:程国安,张权,王茜娟,郑瑞廷,
申请(专利权)人:北京师范大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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