专利名称：一种制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法
技术领域：
本发明涉及一种铜纳米线和纳米尖锥的制备方法，属于纳米材料制作技术领域。
背景技术：
金属纳米线和纳米尖锥材料在场发射冷阴极方面有重要的应用。人们早期一般采用单根的金属鹤尖锥来制作冷阴极[E. ff. Miiller, Ergeb. Exakt. Naturwiss27,290(1953).]。到1968年，Spindt等人采用微加工的方法制作出钥尖锥阵列的冷阴极[C. Spindt，J. Appl. Phys. 39,3504(1968)]。而近年来，也有研究者报道采用自组织生长的方法制备金属鹤或金属钥的纳米线冷阴极[Chao Wang, Yuehui He, ShiliangWang, Quan Zhang, Xinli Liu, J. Cryst. Growth 338:214 - 217 (2012) ;J. Zhou, S.Z. Deng, LGong, Y. Ding, J. Chen, J. X. Huang, Jun Chen, N. S. Xu, Z. L. Wang, J. Phys. Chem.BllO (21) : 10296-10302 (2006)]。选用金属钨或钥的原因是由于它们具有较高的熔点，因而 能够承受更高的发射电流。实际上，在材料选择上，除了熔点高，另外可以考虑的候选材料包括电导率高和导热率高的材料，这类材料由于电阻小，电流通过时不容易发热，而且导热较快，因而在发射时其温度较低，可以耐受更高的温度，从而实现高电流发射。铜是一种同时具备高电导率和高导热率的材料，因而如果能够形成纳米线或者纳米尖锥，就可以作为一种高发射电流的冷阴极。本发明提出了一种利用氧化铜薄膜或氧化铜纳米线薄膜作掩膜，通过离子轰击制作铜纳米线和纳米尖锥的方法，
发明内容
本发明提出了一种利用氧化铜薄膜或氧化铜纳米线薄膜作掩膜，通过离子轰击的方法得到铜纳米线或纳米尖锥的方法，以及所制作的铜纳米线和纳米尖锥在高发射电流的冷阴极上的应用。为了解决现有技术的问题，本发明的制备方法按照以下步骤进行(1)清洗铜衬底，除去衬底上的杂质；(2)在有氧气的气体气氛下加热至350 600°C，并保温10分钟 6小时，然后自然降温，以使铜衬底表面形成一层氧化铜层或氧化铜纳米线；(3)将上述样品放入真空腔中，用氩离子轰击，以在衬底上形成铜纳米线或铜纳米尖锥阵列。本发明所述的衬底可以采用单晶铜，多晶铜，也可以采用镀有铜薄膜的硅片、玻璃或金属片。本发明所述的IS离子轰击时的能量为IOOeV至 IOOOeV,轰击时间为Imin至120mino本发明所述的离子轰击时的离子源为考夫曼离子源、微波ECR离子源或RF离子源。本发明制备的铜纳米线或纳米尖锥阵列可以应用于场发射冷阴极，也可以应用于锂电池、超级电容等其它需要该种铜纳米结构的光电器件中。
本发明所述的制备铜纳米线和纳米尖锥的方法无需经过复杂的微加工工艺，制作方法简便，且可以通过控制轰击时间、离子能量等参数有效的调控样品的形貌，可控性好。
图I采用离子轰击制作铜纳米线和纳米尖锥的工艺步骤示意图。图2氧化后的铜片的表面形貌SEM图。图3采用离子轰击制作的铜纳米线阵列的SEM图。图4采用离子轰击制作的铜纳米尖锥阵列的SEM图。图5铜纳米尖锥阵列的场发射电流密度一电压特性曲线。 图中符号说明1.铜衬底；2.氧化铜层和氧化铜纳米线薄膜；3.氩离子；4.氩离子源;5.铜纳米线；6.铜纳米尖锥。
具体实施例方式为了更清楚地给出上述的通过离子轰击的方法制作铜纳米线和纳米尖锥的方法，图I给出了以铜片为衬底制备铜纳米线和纳米尖锥的步骤。首先清洗铜片衬底(图I (a))，采用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗15分钟，使用氮气吹干。将铜衬底放入管式炉或箱式电炉，通入氧气或空气，加热至350 600°C，并保温10分钟 6小时，最后自然降温。经过上述热氧化过程后，铜衬底表面会形成一层氧化铜层或氧化铜纳米线，如图I (b)所示。将生长有氧化铜薄膜或氧化铜纳米线薄膜的样品放入真空腔室中，使用离子源产生氩离子，轰击样品，如图I (c)所示。氩离子的能量为100eV 1000eV,轰击时间为Imin至120min。当轰击的时间较短或能量较低时,形成铜纳米线，如图I (d)所示。当轰击的时间较长或能量较高时，可以形成铜纳米尖锥，如图I (e)所示。实施例I本实施例给出在铜片上制备铜纳米线阵列的过程。首先用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗铜片15分钟，使用氮气吹干。将清洗干净的铜片放入管式炉中，升高温度至400°C，保温3小时，然后自然冷却。氧化后的铜片的表面形貌如图2所示，可以看到铜片上生长出氧化铜纳米线薄膜。将生长有氧化铜纳米线薄膜的样品放入真空室中，用考夫曼离子源产生氩离子轰击样品，氩离子能量为700eV，轰击时间为lOmin。附图3给出轰击后生成的铜纳米线阵列的SEM图，可以看到在铜片衬底上形成了纳米线阵列，纳米线的平均高度约为I. 5pm，直径约为82nm。实施例2本实施例给出在铜片上制备铜纳米尖锥阵列的过程。首先用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗铜片15分钟，使用氮气吹干。将清洗干净的铜片放入管式炉中，升高温度至400 0C，保温3小时，然后自然冷却。将生长有氧化铜纳米线薄膜的样品放入真空室中，用考夫曼离子源产生氩离子轰击样品，IS离子能量为700eV,轰击时间为60min。用SEM表征制备的样品，可以发现表面生成了铜纳米尖锥。附图4给出铜纳米尖锥阵列的SEM图。所形成的铜尖锥的高度约为4.4 iim，顶端的直径约为500nm，密度约为7X10lcl/m2。采用二极结构测量轰击所形成的铜尖锥阵列的场发射特性，所得的电流密度一电压特性曲线如附图5所示。定义获得lOmA/cm2的电流密度对应的电场为场发射阈值电场， 可以得到铜尖锥阵列的阈值电场为15. 6MV/m，其所能达到的最大电流密度51mA/cm2。
权利要求
1.一种制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法，其特征在于按照以下步骤进行 (1)清洗铜衬底，除去衬底上的杂质； (2)在有氧气的气体气氛下加热至350 600°C，并保温10分钟 6小时，然后自然降温，以使铜衬底表面形成一层氧化铜层或氧化铜纳米线； (3)将上述样品放入真空腔中，用氩离子轰击，以在衬底上形成铜纳米线或铜纳米尖锥阵列。
2.根据权利要求I所述的制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法，其特征在于所述衬底是单晶铜，多晶铜，或镀有铜薄膜的硅片、玻璃或金属片。
3.根据权利要求I所述的制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法，其特征在于所述氩离子轰击的能量为IOOeV至 IOOOeV,轰击时间为Imin至120min。
4.根据权利要求I所述的制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法，其特征在于所述离子轰击的离子源为考夫曼离子源、微波ECR离子源或RF离子源。
5.按权利要求1，2，3或4所述的方法制备的铜纳米线或铜纳米尖锥阵列在场发射冷阴极或具有锂电池、超级电容器的光电器件上的应用。
全文摘要
本发明公开了一种制备铜纳米线和铜纳米尖锥的方法。首先将铜衬底在有氧气氛下加热形成氧化铜薄膜或氧化铜纳米线薄膜，然后将其放入真空室，用氩离子源进行轰击，通过控制离子轰击的能量和时间，可以得到铜的纳米线或纳米尖锥阵列。本方法不使用任何催化剂，可以方便地在衬底上制备出不同密度和尺寸的铜纳米线和铜纳米尖锥。制备出的铜纳米线和尖锥阵列可应用于场发射显示器件、锂电池、超级电容等光电器件。
文档编号H01J1/304GK102776469SQ20121026469
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者宋晓萌, 许宁生, 邓少芝, 陈军 申请人:中山大学