【技术实现步骤摘要】
本申请涉及场发射，特别涉及一种碳纳米管场发射阴极及其制备方法。
技术介绍
1、电子发射源在通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域有着重要应用，是微波管、x射线管、显示器件以及显微成像设备等的核心部件。目前，电子发射源仍然以钨丝、六硼化镧等热阴极为主。热阴极存在体积大、热辐射功耗大、开启时间长、高温下材料蒸发等缺陷，限制了真空电子器件向微型化和集成化方向发展。近年来，以碳纳米管为代表的场致发射冷阴极受到广泛关注和研究，其纳米级尖端位置的电子可以在电场作用下发生隧穿效应，形成极大的电流。相比于热阴极，碳纳米管冷阴极具有室温工作、快速响应、低功耗、可微型化等优势，应用于真空电子器件可以简化结构，获得优异的功率和频率特性。然而，现有碳纳米管阴极仍然存在以下问题：一是由于碳纳米管自身缺陷的存在以及库伦力的作用，电子在移动过程中发生散射和漂移，产生大量焦耳热，使得碳纳米管在高温下发生材料蒸发；二是在场发射过程中，真空中残余气体在电子作用下发生电离，形成的等离子体在电场作用下轰击碳纳米管，破坏其结构；三是碳纳米管排列紧密，使得相邻碳管之间产生显著的电场屏蔽效应，极大的降低了碳管尖端附近的局域电场，抑制电子的发射。这些因素使得碳纳米管冷阴极仍存在开启电场大，发射电流密度小，工作稳定性较差等关键问题，还无法完全满足高性能器件的要求。
技术实现思路
1、鉴于此，有必要针对现有碳纳米管场发射阴极开启电场大，发射电流密度小，工作稳定性较差的技术缺陷提供一种具有低开启电场，高发射电流密度以及优异发射稳定性
2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
3、本申请目的之一，提供了一种碳纳米管场发射阴极，包括：
4、导电基板；
5、设置于所述导电基板上表面的石墨烯层；
6、设置于所述石墨烯层上表面的碳纳米管；
7、设置于所述碳纳米管表面的包覆层；
8、设置于所述碳纳米管之间的填充层。
9、在其中一些实施例中，所述碳纳米管的尖端露出所述填充层。
10、在其中一些实施例中，所述导电基板包括金属基板或者高掺杂p型或n型硅片，所述金属基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
11、在其中一些实施例中，所述石墨烯层水平设置于所述导电基板上表面。
12、在其中一些实施例中，所述碳纳米管垂直取向排列于所述石墨烯层上表面。
13、在其中一些实施例中，所述石墨烯层与所述石墨烯通过范德瓦尔斯力或共价键连接。
14、在其中一些实施例中，所述包覆层包括氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨、碳化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化锌中的至少一种，所述包覆层厚度为5-15nm。
15、在其中一些实施例中，所述填充层包括下述材料的至少一种：
16、聚偏二氟乙烯及其共聚物；或者聚偏二氟乙烯及其共聚物与介电陶瓷材料的复合物，所述介电陶瓷材料包括钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铜钙、钽酸锶中的至少一种；或者聚偏二氟乙烯及其共聚物与高分子材料的复合物，所述高分子材料包括酞菁铜或聚苯胺。
17、本申请目的之二，提供了一种碳纳米管场发射阴极的制备方法，包括下述步骤：
18、在导电基板上表面设置石墨烯层；
19、在所述石墨烯层的上表面的设置碳纳米管；
20、在所述碳纳米管表面设置包覆层；
21、在所述碳纳米管之间设置填充层。
22、在其中一些实施例中，在导电基板上表面设置石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：
23、采用热化学气相沉积法生长出水平取向的石墨烯；
24、将所述石墨烯转移到所述导电基板。
25、在其中一些实施例中，在采用热化学气相沉积法生长出水平取向的石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：将清洗后的铜片放入反应腔室中，在ar气保护气氛下加热铜片至生长温度并保温；再通入碳源气体和氢气的混合气体，生长出水平取向的石墨烯并在氩气保护下，冷却至室温，得到所述石墨烯。
26、在其中一些实施例中，所述碳源气体包括甲烷、乙烯或者乙炔，所述生长温度为950–1050℃，所述碳源气体和氢气的体积流量比为5-10。
27、在其中一些实施例中，在将所述石墨烯转移到所述导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：
28、将pmma旋涂于生长石墨烯的铜片上，然后将所述铜片浸入fecl3溶液中，所述铜片被刻蚀溶解；随后将pmma/石墨烯转移至所述导电基板上，再采用丙酮溶剂溶解pmma，得到水平涂覆有所述石墨烯层的导电基板。
29、在其中一些实施例中，在导电基板上表面设置石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：
30、将均匀分散的氧化石墨烯溶液旋涂于所述导电基板上，然后采用在真空炉中300-400℃加热或微波处理的方法将所述氧化石墨烯还原成石墨烯，得到水平涂覆有所述石墨烯层的导电基板。
31、在其中一些实施例中，在所述石墨烯层的上表面的设置碳纳米管的步骤中，具体包括下述步骤：
32、在石墨烯表面沉积催化剂，所述催化剂包括fe、co、ni及其合金；
33、将沉积有所述催化剂的石墨烯/导电基板放置于反应腔室中，升温至反应温度并保温，在h2或者h2/ar气氛下，所述催化剂被还原为金属纳米颗粒，随后通入碳源气体，在等离子体环境下生长出垂直取向碳纳米管；其中：反应温度为500-800℃，所述碳源气体为甲烷、乙烯或者乙炔，所述h2和碳源气体的体积流量比为5–20。
34、在其中一些实施例中，在所述碳纳米管表面设置包覆层的步骤中，具体包括下述步骤：通过磁控溅射或脉冲激光沉积在所述碳纳米管表面设置包覆层。
35、在其中一些实施例中，在所述碳纳米管之间设置填充层，且所述碳纳米管的尖端露出所述填充层的步骤中，具体包括下述步骤：
36、采用浸涂法、滴涂法或者旋涂法在所述碳纳米管之间的填充层，再对所述填充层进行热处理使所述填充层固化，所述热处理温度为80–150℃。
37、在其中一些实施例中，还包括下述步骤：
38、采用等离子体刻蚀或机械研磨的方法去除部分上层的所述填充层，使所述碳纳米管尖端露出所述填充层。
39、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
40、本申请提供的碳纳米管场发射阴极及其制备方法，包括：导电基板；设置于所述导电基板上表面的石墨烯层；设置于所述石墨烯层上表面的碳纳米管；设置于所述碳纳米管表面的包覆层；设置于所述碳纳米管之间的填充层，且所述碳纳米管的尖端露出所述填充层，本申请提供的碳纳米管场发射阴极及其制备方法，在碳纳米管表面形成包覆层，并且碳纳米管之间由填充材料填充，构建了一种新型复合结构的碳纳米管阴极，具有低开启电场、高发射电流密度和优异工作稳定性。
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1.一种碳纳米管场发射阴极，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管的尖端露出所述填充层。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述导电基板包括金属基板或者高掺杂p型或n型硅片，所述金属基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述石墨烯层水平设置于所述导电基板上表面。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管垂直取向排列于所述石墨烯层上表面。
6.如权利要求1或5所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管与所述石墨烯层通过范德瓦尔斯力或共价键连接。
7.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述包覆层包括氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨、碳化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化锌中的至少一种，所述包覆层厚度为5-15nm。
8.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，
9.一种碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
10.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在导电基板上表面设置石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：
11.如权利要求10所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在采用热化学气相沉积法生长出水平取向的石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：将清洗后的铜片放入反应腔室中，在Ar气保护气氛下加热铜片至生长温度并保温；再通入碳源气体和氢气的混合气体，生长出水平取向的石墨烯并在氩气保护下，冷却至室温，得到所述石墨烯，所述碳源气体包括甲烷、乙烯或者乙炔，所述生长温度为950–1050℃，所述碳源气体和氢气的体积流量比为5-10。
12.如权利要求10所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在将所述石墨烯转移到所述导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：
13.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在导电基板上表面设置石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：
14.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯层的上表面的设置碳纳米管的步骤中，具体包括下述步骤：
15.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在所述碳纳米管表面设置包覆层的步骤中，具体包括下述步骤：通过磁控溅射或脉冲激光沉积在所述碳纳米管表面设置包覆层。
16.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在在所述碳纳米管之间设置填充层，且所述碳纳米管的尖端露出所述填充层的步骤中，具体包括下述步骤：
17.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，还包括下述步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管场发射阴极，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管的尖端露出所述填充层。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述导电基板包括金属基板或者高掺杂p型或n型硅片，所述金属基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述石墨烯层水平设置于所述导电基板上表面。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管垂直取向排列于所述石墨烯层上表面。
6.如权利要求1或5所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管与所述石墨烯层通过范德瓦尔斯力或共价键连接。
7.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述包覆层包括氮化铝、氮化钛、碳化钛、碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨、碳化硅、二氧化钛、氧化镁、氧化锌中的至少一种，所述包覆层厚度为5-15nm。
8.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述填充层包括下述材料的至少一种：
9.一种碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
10.如权利要求9所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在导电基板上表面设置石墨烯层的步骤中，具体包括下述步骤：
11.如权利要求10所述的碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪序达，梁栋，张其阳，郑海荣，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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