一种石墨烯光阴极及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯光阴极及其制备方法；该石墨烯光阴极由光阴极底座、衬底层、碘化铯薄膜、金膜组成；该石墨烯光阴极的制备方法具体包括如下步骤：S1：采用化学气相沉积法在一定厚度的镍片上生长石墨烯；S2：利用腐蚀液溶解制备石墨烯后的镍片，留下石墨烯；S3：将石墨烯平铺至光阴极底座；S4：利用真空蒸镀法向第3步得到的光阴极底座蒸镀一层碘化铯薄膜；S5：利用磁控溅射法向第4步得到的光阴极底座溅射一层金膜制得石墨烯光阴极。由于石墨烯具有优越的导电性、超高的透光率、良好的光电转换效应以及较强的机械强度，从而极大提高光阴极的透光性、稳定性、光电转换效率、导电性、结构强度、光阴极灵敏度以及宽频带响应平整度。
【专利说明】-种石墨稀光阴极及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电发射材料【技术领域】，更具体的，设及一种石墨締光阴极及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 光阴极是一种将光信号转变为电信号的光电发射材料，主要由导电基底衬底和发 射体材料组成，是X射线条纹相机的核屯、部件。对于X射线条纹相机中的光阴极，人们感兴 趣的主要有W下几项基本特性；阴极衬底对X射线的透过率，阴极的导电性能，阴极对X射 线光电发射的量子效率，光电子的初能量分布和光阴极发射的稳定性等。
[0003] 现有光阴极一般采用碳氨膜衬底。透过率、光电转换效率、灵敏度、导电性、宽频带 响应平整度W及透光率较差。在X射线条纹相机工作过程中，入射光通过光阴极的前置狭 缝打至光阴极上，之所W入射光通过光阴极的前置狭缝打到光阴极上能够在光阴极背面发 射光电子，是因为在光阴极的前置狭缝上铺有一层具有光电转换功能的衬底膜。现有光阴 极采用碳氨膜来作为该一层衬底膜。相对于石墨締薄膜，碳氨膜的光电转换效率较低，入射 光打到碳氨膜衬底上，在其背面产生的光电子相对较少。同时，相对于石墨締薄膜，碳氨膜 作为光阴极的衬底膜，其光阴极的透过率、光电转换效率、灵敏度、导电性、宽频带响应平整 度W及透光率等性能均较低。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种石墨締光阴极及其制备 方法，其目的在于提高现有光阴极的透光性、光电转换效率、灵敏度、导电性W及宽频带响 应平整度等性能。
[0005] 本发明提供的石墨締光阴极的结构从下至上依次为；光阴极底座、石墨締薄膜、舰 化飽薄膜、金膜。其中，石墨締薄膜作衬底层材料，其最佳厚度为50nm ;与石墨締最佳厚度 匹配的舰化飽薄膜厚度为200皿，金膜厚度为20皿。
[0006] 本发明提供的石墨締光阴极的制备方法包括下述步骤：
[0007] S1 ;采用化学气相沉积法在金属镶片表面生长石墨締；
[000引 S2 ;利用腐蚀液溶解生长有石墨締的金属镶片获取石墨締；
[0009] S3 ;将步骤S2获取的石墨締平铺至光阴极底座；
[0010] S4 ;采用真空蒸锻法向步骤S3所获取的铺有平整石墨締的光阴极底座蒸锻一层 舰化飽薄膜；
[0011] S5 ;采用磁控瓣射法向步骤S4所获取的铺有平整石墨締并锻有舰化飽薄膜的光 阴极底座瓣射一层金膜，制得石墨締光阴极。
[0012] 其中，步骤S1中，金属镶片厚度范围为10 ym至200 ym，面积可根据需求选取。优 选地，金属镶片厚度可W为30 ym。
[0013] 步骤S1中，采用化学气相沉积法制备用于石墨締光阴极的石墨締的工艺参数范 围如下：温度；800°C?1000°C，退火时间；lOmin?25min，生长时间5min?25min。优选 地，利用化学气相沉积法制备用于石墨締光阴极的石墨締的工艺参数最佳为；温度900°C， 退火时间lOmin，生长时间25min。
[0014] 在步骤S1中，生长石墨締的几个阶段包括：升温阶段，退火阶段，生长阶段，降温 阶段，具体如下：
[0015] 1、实验开始时，系统温度从常温下升高至实验制备石墨締所需温度，该温度选取 范围为700°C?1000°C，同时该过程保持惰性气体流通，如氣气或氮气，为系统营造一个惰 性环境，防止镶基底表面被氧化、破坏。
[0016] 2、系统温度达到实验所需温度时，保持较长一段时间温度不变。该个过程分为前 后两个阶段；第一个为"退火时间"，该阶段的目的在于清除镶基底表面的氧化物，为石墨締 在镶基底的沉积做准备。同时，在此过程中，关闭氣气，保持氨气流通，利用氨气还原镶基 底表面的氧化物；第二个为"生长时间"，在此过程中，保持甲烧和氨气同时流通直至实验结 束。"生长阶段"结束时，系统进入降温过程。此过程并不是一个均匀降温过程，而是可W 分为两个阶段的降温过程；系统温度从实验温度开始降温至580°C为"慢降温过程";温度 从580°C降至室温，为"快降温过程"，该降温过程降温速率比前一降温过程的降温速率要快 2°C?15°C /min。
[0017] 在步骤SI中，金属镶片的厚度可选，范围为lOym至200 ym，面积则可根据光阴极 底座的面积来选取；清洗镶基底的试剂可选用；丙酬、无水己醇W及己酸；石墨締制备过程 中所需要的气体源列举如下：升温阶段所需气体源为氣气；退火阶段所需气体源为氨气； 生长阶段及其降温阶段所需的气体源为甲烧与氨气的混合气体；该步骤制备出的石墨締层 数可达到十层，透光率可达到50 %，适合作为光阴极的衬底。
[0018] 在步骤S1中，经过CVD过程生长石墨締之后的镶基底，其上、下表面W及边缘均长 有石墨締，需要对镶基底进行剪裁处理，否则，经过溶解后，上、下表面的石墨締之间会非常 松散，转移至光阴极之后会大大影响光阴极的特性。
[0019] 剪裁及溶解过程如下：首先对经过CVD过程生长石墨締之后的镶基底进行剪裁， 剪去边缘，留下中间部分，之后将其放入腐蚀液内对镶基底进行溶解。溶解时间与腐蚀液浓 度有关，腐蚀液浓度越大，溶解时间越短；腐蚀液浓度越小，溶解时间越长。待溶解结束之 后，镶基底上、下表面的石墨締会自动脱落，随后经过至少5次在蒸馈水中的转移，来洗净 上层石墨締上残留的氯化铁溶液，最终获取制备石墨締光阴极所需的大面积、洁净、平整的 石墨締。
[0020] 在步骤S2中，腐蚀液可选用氯化铁溶液，浓度范围为0. 8mol/L?3. 4mol/L ;还可 选用硫酸、盐酸或者硝酸。
[002U 在步骤S4中通过蒸锻法制备出均匀的舰化飽薄膜，舰化飽薄膜厚度在80nm? 700皿可控；在步骤S5中通过磁控瓣射法制备出均匀的金膜，金膜厚度在5皿?200皿可 控。
[002引总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，利用石墨締薄膜 替换了现有光阴极的碳氨膜衬底，由于石墨締的良好性质；具有良好的透光率、导电性、光 电转换效率；具有相对较强的机械强度；同时，由于本发明所获得的石墨締平整度高、制备 成本低，并且易于转移至光阴极，能够取得下列有益效果：
[0023] (1)极大提高光阴极的透光性、稳定性、光电转换效率、导电性、结构强度、光阴极 灵敏度W及宽频带响应平整度；
[0024] (2)石墨締较强的机械强度，使得新型光阴极中的发射体（舰化飽薄膜）更稳定， 不易被破坏；
[002引做石墨締具有良好的导电性，具有替代现有光阴极中导电层的潜能，从而使得光 阴极的结构更加简单；
[0026] (4)所获取的石墨締平整度高、制备成本低，易于转移至光阴极，使得石墨締光阴 极易于实现量产；
[0027] (5)简化制作工艺、生产成本低，制备工艺环保。
【专利附图】
【附图说明】
[002引图1是本发明提供的石墨締光阴极制备方法的流程图；
[0029] 图2是石墨締的化学气相沉积方法的制备阶段示意图；
[0030] 图3是本发明实施例制备石墨締的制备装置结构示意图；
[0031] 图4是石墨締的获取过程不意图；
[0032] 图5是现有光阴极的剖面结构示意图；
[0033] 图6是石墨締光阴极的剖面结构示意图；
[0034] 图7是石墨締系列的拉曼光谱；
[0035] 图8是石墨締光阴极的理论模型；
[0036] 图9是石墨締光阴极中舰化飽薄膜SEM照片；
[0037] 图10是石墨締光阴极中金膜的沈M照片；
[003引图11是石墨締光阴极中石墨締的SEM照片；
[0039] 图12是石墨締光阴极的S维立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0041] 如图1所示为本发明实施例制备石墨締光阴极的流程示意图，包括W下具体步 骤；清洗金属镶基底，采用化学气相沉积法W碳氨化合物作为碳源在金属镶基底上生长大 面积平整石墨締；然后利用氯化铁溶液将金属镶基底完全腐蚀，获取大面积平整石墨締； 接着将石墨締转移至光阴极底座并且利用手工方法将其铺平；然后采用真空蒸锻方法向铺 有石墨締的光阴极底座蒸锻一层舰化飽薄膜；最后采用磁控瓣射方法向铺有石墨締并锻了 舰化飽薄膜的光阴极底座瓣射一层金膜，得到石墨締光阴极。
[0042] 为了获取最佳厚度的石墨締W用于制备石墨締光阴极，在CVD方法制备石墨締 的过程中，选取了 4组实验环境，每组实验选取的制备温度分别为iooo°c、9〇(rc、8〇(rc、 700°C，同时各组实验中选取了不同的退火时间W及生长时间，W此来选取最佳厚度的石墨 締，制备阶段示意图如图2所示。W下通过表格详细列举了该4组实验，W及各组实验中的 不同的退火时间W及生长时间。在该4组实验中，每组实验过程中，升温阶段（惰性气体环 境）、退火阶段化2环境）、生长阶段W及降温阶段（碳氨化合物环境），各个阶段内的气体 成分W及气体流量参数是完全相同的。每组实验的直接目的为；在确定的温度下，保持CVD 方法制备石墨締的各个阶段气体成分、气体流量不变，改变退火时间W及生长时间，制备石 墨締，从中选取用于制备石墨締光阴极的最佳厚度的石墨締。
[0043] 表1在1000°C条件下制备石墨締的实验参数
[0044]
【权利要求】
1. 一种石墨締光阴极，其结构由下至上依次为；光阴极底座、衬底层、舰化飽薄膜、金 膜；其特征在于，所述衬底层材料是石墨締。
2. 按照权利要求1所述的光阴极，其特征在于，所述石墨締的厚度范围为40nm至 80nm。
3. 按照权利要求2所述的光阴极，其特征在于，所述石墨締的厚度最佳为50nm。
4. 一种石墨締光阴极的制备方法，其特征在于，所述制备方法主要包括W下步骤； 51 ;采用化学气相沉积法在金属镶片表面生长石墨締； 52 ;利用腐蚀液溶解生长有石墨締的金属镶片获取石墨締； 53 ;将步骤S2获取的石墨締平铺至光阴极底座； 54 ;采用真空蒸锻法向步骤S3所获取的铺有平整石墨締的光阴极底座蒸锻一层舰化 飽薄膜； 55 ;采用磁控瓣射法向步骤S4所获取的铺有平整石墨締并锻有舰化飽薄膜的光阴极 底座瓣射一层金膜，制得石墨締光阴极。
5. 按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，金属镶片厚度范围为 10 ym至200 ym，面积可根据需求选取。
6. 按照权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，金属镶片厚度为 30 ym。
7. 按照权利要求4至6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用化学 气相沉积法制备用于石墨締光阴极的石墨締的工艺参数范围如下；温度；80(TC?1000°C， 退火时间；lOmin?25min，生长时间5min?25min。
8. 按照权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用化学气相沉积法 制备用于石墨締光阴极的石墨締的工艺参数最佳为；温度900°C，退火时间lOmin，生长时 间 25min。
9. 按照权利要求4至8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，腐蚀液选 用氯化铁溶液，其浓度范围为0. 8mol/L?3. 4mol/L。
【文档编号】H01J9/12GK104465264SQ201410610300
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】刘雨昊, 魏合林, 朱大明, 任宽, 袁利利 申请人:华中科技大学