一种图形化的石墨烯场发射阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种图形化的石墨烯场发射阴极及其制备方法，包括阴极基板，设置于阴极基板表面的阴极和设置于阴极表面的石墨烯层，并在阴极与石墨烯之间引入导电性粘附层，通过光刻-剥离技术实现石墨烯层的图形化制备，从而获得图形化的场发射阴极。本发明专利技术提供的石墨烯场发射阴极，其电子发射电流密度大、工艺过程简单、成本低、发射稳定均匀，实现了图形化制备，适用于场发射显示器、场发射平面光源、液晶显示器用场发射背光源和真空电子器件冷阴极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于真空电子
，具体涉及一种图形化是石墨烯场致电子发射阴极，适用于制作场致发射平面显示器(FED)中的场发射阴极，及用于真空电子器件的冷阴极。
技术介绍
场致发射显示器件是一种新型的平板显示技术，场发射显示技术是阴极射线管 (CRT)技术的延伸来发展，具有CRT显示器的视角广、色彩鲜艳、响应速度快等优点，在目前的各种平板显示器中，只有FED的图象显示质量可以达到传统CRT的水平，同时具备如液晶显示器(LCD)的薄、轻等优点。FED显示器的核心部件是场发射冷阴极阵列，其中阴极材料决定着场发射阴极的性能。目前常用的场致发射冷阴极材料碳纳米管、金刚石薄膜、硅、有金属钼等，但其存在着制作成本高、工艺复杂等缺点，且其开启电场、阈值电场较高，因此需要寻求其他的场发射冷阴极材料。石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，理论比表面积高达 ^00m2/g，具有突出的导热性能(3000W/(m*K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高速的电子迁移率(15000cm2/(V· s))。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、 半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，石墨烯正掀起一股研究的热潮。作为场发射阴极材料，石墨烯拥有优良的场发射性能，具有较低的开启电场及阈值电场，拥有高场增强因子及高发射稳定性及均勻性。为了获得基于石墨烯的场发射阴极， 可以采用化学气相沉积的方法原位制备石墨烯，然而此方法难以制备大面积的器件；同时化学气相沉积所需的高温条件限制了玻璃衬底的使用，限制了器件成本的降低。采用化学氧化还原的方法可以大规模、低成本地制备石墨烯材料，通过后续电泳工艺可以低成本、大面积的制备石墨烯阴极。然而由于石墨烯与电极之间的附着力弱，在长期工作条件下易出现石墨烯脱落，从而影响器件的使用寿命及稳定性。有报道称，将石墨烯分散在聚苯乙烯溶液中，通过控制旋涂工艺制备石墨烯场发射阴极。然而此方法不能实现石墨烯阴极的图像化制备；由于聚苯乙烯软化温度低、易分解，场发射过程中产生的高温(局部温度达1000°c) 可以是聚苯乙烯分解；同时，由于聚苯乙烯的使用，无法采用现有的高温真空封接工艺(封接峰值温度为450°c)制备场发射器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，通过该方法可以大面积制备图形化的石墨烯场发射阴极，其具有较低的开启和阈值场强，发射电流密度大，发射稳定。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是一种图形化的石墨烯场发射阴极，包括阴极基板，设置于阴极基板表面的阴极和设置于阴极表面的石墨烯层。所述的石墨烯层与阴极之间存在导电性粘附层，通过旋涂工艺、光刻-剥离工艺可实现大面积石墨烯层的图形化制备，如图1所示。所述的导电性粘附层是氧化锌薄膜、氧化铟掺锡薄膜、氧化锡薄膜、硅薄膜、氧化钛薄膜中的一种，通过溶胶-凝胶法制备得到的。一种图形化的石墨烯场发射阴极的制备方法包括以下步骤(1)基板110衬底材料进行划片和清洗；(2)在基板110衬底材料上制备阴极120；(3)在阴极120表面制备感光胶层130，通过曝光、显影、固膜这些工序制备出所需图案；(4)采用溶胶-凝胶法制备含有导电性粘附层140材料的溶胶液，将石墨烯150在溶胶液中超声分散形成均勻体系；所述的溶胶液中石墨烯的含量为5-20mg/mL ；(5)采用旋涂或滚涂的工艺将步骤(4)所述的含有石墨烯的前驱溶胶液涂敷在步骤 (3)所述的图形化感光胶130表面；(6)高温烧结，剥离感光胶层130，即制得所述的图形化的石墨烯阴极150；所述的高温烧结的温度为400-500°C，时间为1-2小时；是在真空条件下，或者氮气、惰性气体保护氛围下进行。本专利技术的显著优点在于(1)通过在阴极与石墨烯之间引入导电性粘附层，增强石墨烯与电极的附着力，降低其接触电阻，并作为限流层起负反馈作用。通过光刻-剥离技术实现石墨烯层的图形化制备， 从而获得图形化的场发射阴极。(2)本专利技术提供的石墨烯场发射阴极，其电子发射电流密度大、工艺过程简单、成本低、发射稳定均勻，实现图形化制备，适用于场发射显示器、场发射平面光源、液晶显示器用场发射背光源、真空电子器件冷阴极。(3)由于无机导电粘附层的耐高温特性，可以沿用现有的高温封接工艺，技术路线成熟、制作成本低。附图说明图1是本专利技术一种图形化的石墨烯场发射阴极的示意性横截面图； 图2是本专利技术一种图形化的石墨烯场发射阴极的制备流程图3、图4、图5是本专利技术实施例1 一种图形化的石墨烯场发射阴极的具体实施步骤示意图6是本专利技术一种图形化的石墨烯场发射阴极的扫描电镜图； 图7是本专利技术实施例1一种图形化的石墨烯场发射阴极的场发射电流密度一电场强度曲线。注图1和图3中的110代表基板；120代表阴极；130代表感光胶层；140代表导电粘附层；150代表石墨烯。具体实施例方式下面结合附图及实施例具体说明本专利技术。本专利技术提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。此参考图是本专利技术的理想化实施例的示意图，本专利技术所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本专利技术的范围。实施例1一种图形化的石墨烯场发射阴极的制备过程如下 步骤1 氧化锌前驱溶胶的制备用电子天平准确称取8. 2621g 二水合醋酸锌，放入盛有大约30mL的异丙醇溶剂的三角瓶中。用恒温磁力搅拌器搅拌并保持温度为70°C，10分钟后放入4. 6mL的乙醇胺稳定剂， 搅拌10分钟。待其冷却后在50mL容量瓶中用异丙醇滴定。最后在70°C的恒温磁力搅拌器上搅拌1小时后，形成均一透明的溶胶。至少静置48小时后，形成氧化锌前驱溶胶液。步骤2 玻璃基板110的准备。对玻璃基板110衬底材料进行划片、清洗。步骤3 阴极120的制备。通过丝网印刷方法在玻璃基片110表面制备电极120， 如图2所示。步骤4 图形化感光胶130的制备，如图3所示。a)利用旋涂工艺将感光胶转移至阴极表面，并在110°C保温20min; b)曝光、显影、固膜，形成图形化的感光胶130。步骤5 石墨烯膜层的制备，如图4所示。将250mg石墨烯粉末放入所制备的氧化锌前驱溶胶液，超声2小时得到均勻分散、 稳定的石墨烯/氧化锌前驱溶胶液。以IOOOrpm的转速将所述的石墨烯/氧化锌前驱溶胶液涂敷于步骤4所制备的覆盖有图形化感光胶的阴极板表面，然后在200°C保温10分钟。 最后在Ar气氛围下400°C热处理1小时，从而得到石墨烯薄膜。步骤6 通过剥离法获得图形化石墨烯阴极150，如图5所示。在步骤5中，经过400°C热处理，氧化锌凝胶形成氧化锌薄膜140，石墨烯150与阴极120的附着力加强。图形化感光130胶碳化。将阴极板放入丙酮溶液中超声10分钟，碳化后的感光胶溶解在丙酮中，从而使感光胶表面的石墨烯/氧化锌脱落，最终得到图形化的石墨烯阴极150。所述的一种图形化的石墨烯场发射阴极的扫描电子显微镜照片如图6 所示。至此，一种图形化的石墨烯场发射阴极制备形成。在场发射测试系统中测试本专利技术一种图形本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种图形化的石墨烯场发射阴极，包括阴极基板，设置于阴极基板表面的阴极和设置于阴极表面的石墨烯层，其特征在于：所述的石墨烯层与阴极之间存在导电性粘附层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李福山，郭太良，吴朝兴，张永志，张蓓蓓，寇丽杰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：35