一种硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的制备方法技术

碳纳米管具有较高的端部几何场增强效应、低阈值电压和高效的场发射性能，金刚石具有负电子亲和势及场发射稳定性，两种材料可广泛应用于场发射显示器件。本发明专利技术提供一种硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的制备方法，通过静电喷涂方法在垂直定向生长的多壁碳纳米管表面喷涂纳米金刚石与甲醇混合的悬浊液而预沉积纳米金刚石颗粒，并在静电力作用下使相邻碳纳米管尖端聚集成锥状结构；进一步采用热丝化学气相沉积方法在碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成整齐均一、尺寸和密度可控的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥。该复合纳米锥具有场发射阈值电压低、电子发射寿命长和性能稳定，可应用于场发射器件，以及电化学电极和贮氢装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料技术，特别是一种可应用于高性能与长寿命场发射器件、电化学电极和贮氢装置的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的制备方法。
技术介绍
碳纳米管具有尖端曲率半径小、长径比大、优异的力学性能、良好的化学稳定性和导电性，因而具有较高的端部几何场增强效应、低阈值电压和高效的场发射性能，自被发现以来，人们对碳纳米管作为电子源应用于场发射显示器件产生了极大的兴趣。单根和多根碳纳米管以及碳纳米管薄膜的场发射研究得到了普遍关注，但是，碳纳米管的场发射电流不稳定，使用寿命较短，不适合大规模的商业化应用。在一定的真空环境下工作时，表面吸附气体分子，会导致碳纳米管端部损毁，发射电子能力减弱，致使碳纳米管的场发射产生持续性退化。随着信息技术和真空微电子学的快速发展，低能耗、高清晰、超薄超大屏幕显示视器越来越受到重视，真空微电子技术对作为器件核心的阴极材料要求也越来越高。因此，能耗小、场发射性能优越而稳定的材料日益重要。以金刚石为代表的宽带隙材料(如cBN、AlN等)由于具有良好的化学和热稳定性、高熔点和热导率、小的介电常数、大的载流子迁移率和高的击穿电压以及负电子亲和势(当表面被氢原子终止时)，在场发射器件中具有广阔应用前景。文献(A comparative study of the field emission properties ofaligned carbon nanostructures films, from carbon nanotubes to diamond, Eur.Phys.J.Appl.Phys.38，115，2007)利用金刚石的负电子亲和势与表面较低有效逸出功等优点，通过化学气相沉积方法制备了具有较好场发射性能的金刚石薄膜。此外，金刚石薄膜的场发射特性还可以通过其他的方法来进一步增强，如降低薄膜的晶粒尺寸、在薄膜中掺入硼或氮元素来提高薄膜的导电性或产生缺陷能级、采用不同的官能团(如CsO、LiO)对金刚石表面进行化学修饰来增加表面负电子亲和势、以及将金刚石薄膜构造出具有尖锐的端部以提高场增强效应等方 法。虽然通过这些方法能改善金刚石场发射性能，但是化学气相沉积制备的金刚石薄膜存在导电性相对较差、柱状晶结构、低电阻背接触和纳米结构制备困难等问题，导致在相同条件下基于金刚石的场发射器件比碳纳米管的场发射器件阈值电压更高，发射效率更低。然而，金刚石的场发射器件使用寿命较长，电子发射端部不易被结合碳纳米管的良好导电性和硼掺杂金刚石表面的稳定性以及发射寿命长等特点制备成金刚石与碳纳米管复合材料，并将其构筑成锥状结构，将是一种高效、长寿命的场发射冷阴极材料。但是现有技术中不存在硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的制备技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过结合碳纳米管和硼掺杂金刚石在场发射性能方面的特点，提供。实现本专利技术目的的技术解决方案为:，通过静电喷涂方法在垂直定向生长的多壁碳纳米管表面预沉积纳米金刚石颗粒，并在静电力作用下使碳纳米管聚集成锥状结构；进一步采用热丝化学气相沉积方法在碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成具有良好场发射性能的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥，具体包括以下步骤: 步骤1、对单晶硅衬底进行表面清洗处理；具体为:首先将衬底浸入丙酮和乙醇的混溶液中超声波清洗，然后放入去离子水中超声清洗，之后冷风吹干。步骤2、在表面清洗干净的单晶硅衬底上依次溅射沉积SiO2薄膜和Ni薄膜；所述SiO2薄膜厚度为30-50nm, Ni薄膜厚度为5_15nm。步骤3、将样品放置在等离子体增强化学气相沉积反应容器中，通过加热衬底，使Ni膜熔化，在衬底上形成分散的Ni纳米粒子；所述衬底温度为650-750°C，加热时间为5_15min。步骤4、采用等离子体增强化学气相沉积方法，以Ni为催化剂，在C2H2/NH3混合气体中调节直流偏压来制备垂直定向的多壁碳纳米管阵列；所述制备多壁碳纳米管阵列的直流偏压为 550-750V，C2H2/NH3 气体流量为 50sccm/200sccm。步骤5、将纳米金刚石颗粒分散到甲醇溶液中，配制成悬浊液，之后通过静电喷涂法在制备的多壁碳纳米管表面上预先涂覆纳米金刚石颗粒，且在静电力作用下使碳纳米管聚集成锥状结构；所述纳米金刚石颗粒直径为3-10nm，静电喷涂纳米金刚石颗粒悬浊液时所加偏压为35kV，沉积有多壁碳纳米管的样品旋转速度1500rpm。步骤6、将表面涂覆有纳米金刚石颗粒的多壁碳纳米管样品置于热丝化学气相沉积反应容器中，通入CH4/H2/B2H6混合气体，控制热丝温度、CH4/H2比例、B/C比例、沉积压强和沉积时间这些工艺参数，在预先形核的多壁碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥。所述热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜条件:沉积压强为20-30Torr，CH4/H2气体比例为1_5%，混合气体中B/C比例为2000-10000ppm, Ta丝距样品表面距离为3_5mm，热丝温度为2300-2400°C，基片温度约为800-900°C，沉积时间为 30-60min。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为:1)本专利技术的复合纳米锥材料由涂覆了硼掺杂金刚石的多壁碳纳米管构成；2)本专利技术制备的垂直定向多壁碳纳米管碳，通过静电喷涂技术能使相邻碳纳米管聚集形成纳米锥结构；3)本专利技术采用热丝化学气相沉积方法制备的硼掺杂金刚石薄膜能够将纳米锥端部覆盖，同时不影响纳米锥的整体形态；4)本专利技术技术可制备整齐均一、尺寸和密度可控的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥，该复合纳米锥具有低场发射阈值电压、发射寿命长和性能稳定；5)本专利技术制备的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥不仅适用于高性能场发射显示器件，同时还可用于电化学电极和贮氢装置。下面结合附图 对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术实例I制备的垂直定向生长的碳纳米管扫描电镜图。图2为本专利技术实例I经过静电喷涂纳米金刚石颗粒悬浊液后形成的碳纳米管锥形结构扫描电镜图。图3为本专利技术实例I制备的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的扫描电镜图。图4为硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥阵列的场发射特性曲线。具体实施例方式本专利技术提供，通过静电喷涂方法在垂直定向生长的多壁碳纳米管表面预沉积纳米金刚石颗粒，并在静电力作用下使碳纳米管聚集成锥状结构；进一步采用热丝化学气相沉积方法在碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成具有良好场发射性能的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥，具体包括以下步骤: 步骤1、对单晶硅衬底进行表面清洗处理。具体操作为:首先将衬底浸入丙酮和乙醇的混溶液中超声波清洗，然后放入去离子水中超声清洗，之后冷风吹干； 步骤2、在表面清洗干净的单晶硅衬底上依次溅射沉积一层厚度为30-50nm的SiO2薄膜和厚度为5-15nm的Ni薄膜； 步骤3、将样品放置在等离子体增强化学气相沉积反应容器中，将衬底加热到650-750°C，加热时间为5-15min，使衬底上的Ni膜熔化形成分散的Ni纳米粒子； 步骤4、采用等离子体增强化学气相沉积方法，以Ni为催化剂，在C2H2/NH3混合气体中制备垂直定向的多壁碳纳米管阵列；具体生长参数为直流偏压为550-750V，(:2!12/见13本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥的制备方法，其特征在于，通过静电喷涂方法在垂直定向生长的多壁碳纳米管表面预沉积纳米金刚石颗粒，并在静电力作用下使碳纳米管聚集成锥状结构；进一步采用热丝化学气相沉积方法在碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成具有良好场发射性能的硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥，具体包括以下步骤：步骤1、对单晶硅衬底进行表面清洗处理；步骤2、在表面清洗干净的单晶硅衬底上依次溅射沉积SiO2薄膜和Ni薄膜；步骤3、将样品放置在等离子体增强化学气相沉积反应容器中，通过加热衬底，使Ni膜熔化，在衬底上形成分散的Ni纳米粒子；步骤4、采用等离子体增强化学气相沉积方法，以Ni为催化剂，在C2H2/NH3混合气体中调节直流偏压来制备垂直定向的多壁碳纳米管阵列；步骤5、将纳米金刚石颗粒分散到甲醇溶液中，配制成悬浊液，之后通过静电喷涂法在制备的多壁碳纳米管表面上预先涂覆纳米金刚石颗粒，且在静电力作用下使碳纳米管聚集成锥状结构；步骤6、将表面涂覆有纳米金刚石颗粒的多壁碳纳米管样品置于热丝化学气相沉积反应容器中，通入CH4/H2/B2H6混合气体，控制热丝温度、CH4/H2比例、B/C比例、沉积压强和沉积时间这些工艺参数，在预先形核的多壁碳米管锥状结构上沉积一层硼掺杂金刚石薄膜，形成硼掺杂金刚石与碳纳米管复合纳米锥。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹友生，顾磊，张亦弛，何林林，朱正峰，石晓琴，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：