【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、电子源是各种真空电子器件的核心部件，被广泛应用于显示器、电子显微镜、行波管、自由电子激光器、x射线源等领域。传统的电子源主要由带有金属灯丝的热离子阴极组成，存在体积大，电子束质量差，响应速度慢，功耗高等问题。随着新材料和新理论的出现，基于量子隧穿效应的场发射冷阴极电子源成为近些年来的研究热点。场发射冷阴极具有电子能量色散窄、电流密度大、响应速度快、能耗低、微型化等优点，应用于真空电子器件可以简化结构，可以获得优异的功率和频率特性。在各种冷阴极材料中，碳纳米管具有高长径比、优异的导电性、良好的化学稳定性和韧性以及高的机械强度等优异特性，使得碳纳米管在实现电子源所需的高发射电流密度和低电流波动方面极具潜力。碳纳米管冷阴极可以通过可控的cvd生长方法来得到。通常，碳纳米管薄膜阵列是直接生长在异质结构的基板上，碳纳米管根部依靠范德瓦尔斯力与基板结合。在强电场作用下，当高密度电流通过异质界面时，由于碳纳米管与基板之间的附着力较弱，碳纳米管很容易从基板上剥落，导致场发射电流剧烈波动，并快速衰减。现有的碳纳米管冷阴极仍然难以同时实现大发射电流、高电流稳定性和长寿命，严重阻碍了其在真空电子器件中的实际应用。
技术实现思路
1、鉴于此，有必要针对现有碳纳米管与基板结合力差、阴极发射电流稳定性差及工作寿命短的技术缺陷提供一种同时具有大发射电流、高电流稳定性和长寿命的碳纳米管场发射阴极及其制备方法。
2、为解决上述
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、位于所述导电基板上表面的导电导热粘结层；
6、位于所述导电导热粘结层上方的碳纳米管，所述碳纳米管根部嵌入所述导电导热粘结层；
7、位于所述碳纳米管外表面的金属氮化物包覆层。
8、在其中一些实施例中，所述导电基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
9、在其中一些实施例中，所述导电导热粘结层为导电金属浆料。
10、在其中一些实施例中，所述碳纳米管呈阵列状垂直取向排列于所述导电导热粘结层上表面。
11、在其中一些实施例中，所述金属氮化物包覆层包括氮化铝、氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨中的至少一种，所述金属氮化物包覆层厚度为5-15nm。
12、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：
13、提供一导电基板；
14、在导电基板上表面设置导电导热粘结层；
15、在所述导电导热粘结层上方设置碳纳米管，所述碳纳米管根部嵌入所述导电导热粘结层；
16、在所述碳纳米管外表面设置金属氮化物包覆层。
17、在其中一些实施例中，在提供一导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：采用砂纸对所述导电基板表面进行研磨，以去除氧化物层；然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水分别对所述导电基板进行超声清洗；最后用氮气吹干。
18、在其中一些实施例中，在在导电基板上表面设置导电导热粘结层的步骤中，具体包括下述步骤：
19、采用丝网印刷方法将导电金属浆料涂覆于所述导电基板上表面以形成导电导热粘结层。
20、在其中一些实施例中，在在所述导电导热粘结层上方设置碳纳米管，所述碳纳米管根部嵌入所述导电导热粘结层的步骤中，具体包括下述步骤：
21、采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述导电基板上生长垂直取向排列的碳纳米管阵列，得到碳纳米管/导电基板；
22、将所述碳纳米管阵列转移到所述导电导热粘结层上方。
23、在其中一些实施例中，在采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述导电基板上生长垂直取向排列的碳纳米管阵列，得到碳纳米管/导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：
24、在所述导电基板上沉积催化剂，所述沉积方法包括电子束蒸镀或者磁控溅射，所述催化剂材料包括fe、co、ni及其合金；
25、将沉积有所述催化剂层的导电基板放入反应腔室中，在ar气保护气氛下加热所述导电基板至生长温度并保温，此时通入h2气，所述催化剂被还原为金属纳米颗粒，所述生长温度为500-800℃，所述还原时间为10–30min；
26、在所述反应腔室中通入碳源气体，在等离子体环境下生长碳纳米管以形成碳纳米管阵列，得到碳纳米管/导电基板，所述碳源气体包括甲烷、乙烯或者乙炔，所述氢气和所述碳源气体的体积流量比为5–20，所述等离子体功率为200-1000w。
27、在其中一些实施例中，所述催化剂厚度为1–10nm，所述碳纳米管的直径为10–30nm，所述碳纳米管的长度为200–600μm。
28、在其中一些实施例中，在将所述碳纳米管阵列转移到所述导电导热粘结层上方的步骤中，具体包括下述步骤：
29、提供另一导电基板；
30、在所述另一导电基板上表面设置导电导热粘结层，得到导电导热粘结层/另一导电基板；
31、提供不锈钢模具，所述不锈钢模具的厚度小于所述碳纳米管的长度10–50μm；
32、分别将碳纳米管/导电基板和导电导热粘结层/另一导电基板放置于所述不锈钢模具的上孔和下孔，所述碳纳米管的顶部和所述导电导热粘结层相接触；
33、将所述不锈钢模具于100–200℃温度下热处理15–40min，热处理后，所述碳纳米管的顶部嵌入所述导电导热粘结层；
34、将导电导热粘结层/导电基板中的导电基板从所述不锈钢模具中剥离，得到碳纳米管/粘结层/另一导电基板；
35、将所述碳纳米管/粘结层/另一导电基板放置于ar气保护气氛下退火，使得所述导电金属浆料中的金属颗粒熔化聚集，充分粘附于碳纳米管阵列的底部，以实现所述碳纳米管阵列转移到所述导电导热粘结层上方，所述退火温度为800–950℃，退火时间为10–30min。
36、在其中一些实施例中，在所述碳纳米管外表面设置金属氮化物包覆层的步骤中，具体包括下述步骤：
37、采用射频等离子体刻蚀对所述碳纳米管/粘结层/导电基板进行预处理，其中：工作气体为o2，射频功率为300–600w，刻蚀时间为3–10min；
38、将预处理后的所述碳纳米管/粘结层/导电基板放置于真空腔室中，通入ar气和n2气的混合气体，ar气和n2体积流量比为25–40；
39、将所述导电基板加热至反应温度，反应温度为300–500℃；
40、开启金属靶材的磁控溅射，溅射出的金属原子沉积在所述碳纳米管的表面，并与n2气反应，形成金属氮化物包覆层，所述溅射功率为80–150w，所述氮化物包覆层厚度为5–15nm。
41、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
42、本申请提供的碳纳米管场发射阴极及其制备方法，包本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，所述导电基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述导电导热粘结层为导电金属浆料。
4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管呈阵列状垂直取向排列于所述导电导热粘结层上表面。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述金属氮化物包覆层包括氮化铝、氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨中的至少一种，所述金属氮化物包覆层厚度为5-15nm。
6.一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：
7.如权利要求6所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在提供一导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：采用砂纸对所述导电基板表面进行研磨，以去除氧化物层；然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水分别对所述导电基板进行超声清洗；最后用氮气吹干。
8.如权利要求6所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征
9.如权利要求8所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在在所述导电导热粘结层上方设置碳纳米管，所述碳纳米管根部嵌入所述导电导热粘结层的步骤中，具体包括下述步骤：
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，在采用等离子体增强化学气相沉积方法在所述导电基板上生长垂直取向排列的碳纳米管阵列，得到碳纳米管/导电基板的步骤中，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，所述催化剂厚度为1–10nm，所述碳纳米管的直径为10–30nm，所述碳纳米管的长度为200–600μm。
12.如权利要求11所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在将所述碳纳米管阵列转移到所述导电导热粘结层上方的步骤中，具体包括下述步骤：
13.如权利要求12所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在所述碳纳米管外表面设置金属氮化物包覆层的步骤中，具体包括下述步骤：
...【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，所述导电基板包括钛、铜、铬、钨、钼、钽、铂中至少一种。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述导电导热粘结层为导电金属浆料。
4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述碳纳米管呈阵列状垂直取向排列于所述导电导热粘结层上表面。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极，其特征在于，所述金属氮化物包覆层包括氮化铝、氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化锆、氮化钨中的至少一种，所述金属氮化物包覆层厚度为5-15nm。
6.一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：
7.如权利要求6所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于，在提供一导电基板的步骤中，具体包括下述步骤：采用砂纸对所述导电基板表面进行研磨，以去除氧化物层；然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水分别对所述导电基板进行超声清洗；最后用氮气吹干。
8.如权利要求6所述的碳纳米管场发射阴极的...
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