专利名称：碳纳米管场致发射薄膜的电泳阳极沉积制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料应用研究领域。特别涉及广泛应用于微纳制造中的一种碳纳米管场致发射薄膜的电泳阳极沉积制备方法。
背景技术：
1991年，日本的Iijima首次发现多壁碳纳米管(MWNT)，直径为4-30nm，长度为1um。1993年单壁碳纳米管也被发现(SWNT)，直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管具有独特的电子、机械及化学性能，在机械、电化学、能源、显示器件等领域有着广泛的应用。碳纳米管有两个独特优异的电学性能，一个是场发射性质，另一个是碳纳米管的二重电性质。这两个独特的电学性能使得这种新型材料在微电子学上具有良好的应用前景。在专利申请号为00135476，“利用生成催化剂颗粒的碳纳米管薄膜阴极的制备工艺”中，主要是直接生长碳纳米管，制备碳纳米管场发射薄膜，含有催化剂颗粒，对场发射性能有一定的影响。在专利申请号为200410034108的“一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法”，主要是将碳纳米管沉积到阴极，但与基底结合力有待提高。
因而，现有碳纳米管薄膜主要是直接生长的工艺制备，直接生长带来杂质影响碳纳米管薄膜的场发射性能。而电泳沉积制备的碳纳米管薄膜与基底结合力弱的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管场致发射薄膜的电泳阳极沉积制备方法。通过活性剂修饰碳纳米管用电泳沉积到阳极表面，进一步烧结，薄膜与基底结合力强，场发射性能优异，且场发射源的碳纳米管表面非常干净。其工艺步骤为(1)首先把长度为0.1-50μm，直径10-20nm，以CVD法生长的多壁碳纳米管与表面活性剂SDS以1∶5的质量百分比混合(0.1克碳纳米管与0.5克表面活性剂)，加入到100mL去离子水中，超声波功率大约100-500W超声分散1～2小时，形成非常均匀的碳纳米管分散液体，实验观察到这种超声得到的碳纳米管分散液体能够保持半年以上还没有发生聚沉。
(2)利用电泳沉积法，将分散后的碳纳米管沉积到不锈钢或钛阳极的表面，沉积电压在5-50V、控制电流为10mA，沉积时间为10分钟-5小时。
(3)碳纳米管薄膜自然干燥6小时之后，用载玻片把沉积后的碳纳米管薄膜压平。
(4)对沉积的碳纳米管薄膜在密封的高温炉中，以1～2L/min充入氮气，以10℃/min的升温速度缓慢加温，加到350～400℃时，保持恒温30～60分钟，在氮气保护下降至室温，取出。
本发明的有益效果是该方法可以在金属钛，不锈钢板上制备的碳纳米管薄膜，烧结后的碳纳米管薄膜与基底有非常好的结合性能，并转化成许多岛状薄膜，岛状薄膜之间的裂缝中出现崩断的干净碳纳米管，从而具有很低的开启电压和很高的场发射电流密度。在平板显示屏、化学和生物的传感器、半导体装置等有潜在的应用价值
图1为本发明的电泳沉积碳纳米管薄膜示意图。
图2碳纳米管薄膜烧结后的形貌SEM图。
具体实施例方式
本发明提供一种碳纳米管场致发射薄膜的电泳阳极沉积制备方法。下面结合附图对本发明的工艺步骤予以说明。如图1所示，(1)首先把CVD法生长的原始的碳纳米管粉末，长度大约0.1-50μm，直径10-20nm的多壁碳纳米管0.1g与0.5g表面活性剂混合，同时加入到100mL去离子水中，超声波功率大约100-500W超声分散1～2小时，形成非常均匀的碳纳米管分散液体，实验观察到这种超声得到的碳纳米管分散液体能够保持半年以上还没有发生聚沉。
(2)利用电泳沉积法将分散后的碳纳米管沉积到不锈钢或钛阳极的表面，电泳沉积的示意图如图1所示，在玻璃容器4中，加入步骤(1)碳纳米管分散液3，由绝缘载玻片1将不锈钢阴极2和阳极样品5隔开，在不锈钢阴极2和阳极样品5之间加5-50V的沉积电压，控制电流一般在10mA左右，沉积时间吴10分钟-5小时。
(3)薄膜自然干燥6小时之后用载玻片把沉积后的碳纳米管薄膜压平。
(4)将压后的碳纳米管薄膜在密封的高温炉中，以1.5L/分钟充入氮气，以10℃/分钟的升温速度缓慢加温，加到400℃时，保持恒温40分钟，在氮气保护下降至室温，取出。通过烧结，400℃足够把碳纳米管表面的有机物烧走，使碳纳米管表面干净成为发射源烧结过程中，碳纳米管薄膜会出现很多堆积的小岛，小岛的缝隙之间就有碳纳米管伸出，薄膜被烧结成很多小岛。由产生明显的裂纹到裂纹逐渐减少。
在烧结过程中，碳纳米管薄膜裂开明显的裂缝，随着时间的延长，裂缝逐渐增宽，裂缝增大过程中，碳纳米管随着裂缝的增大逐渐绷紧，当裂缝足够大的时候，裂缝之间的碳纳米管就会被绷断，绷断后的碳纳米管而伸出基底作为发射源烧结之后薄膜的形貌发生改变，表面平整的烧结后的碳纳米管薄膜表面有不计其数的裂缝。薄膜之间裂缝的在500nm到2μm之间，伸出的碳纳米管表面非常干净，主要表面的有机物在400℃高温下被烧离表面。从图2的a、b、c、d四幅SEM图可以看出碳纳米管非常清洁，表面没有任何污染物，可以作为很好的场发射源。
权利要求
1.一种碳纳米管场致发射薄膜的制备方法，其特征在于，其工艺步骤为(1)首先把长度为0.1-50μm，直径10-20nm，以CVD法生长的多壁碳纳米管与表面活性剂SDS以1∶5的质量百分比混合，加入到100mL去离子水中，超声波功率大约100-500W超声分散1～2小时，形成非常均匀的碳纳米管分散液体，实验观察到这种超声得到的碳纳米管分散液体能够保持半年以上还没有发生聚沉；(2)利用电泳沉积法，将分散后的碳纳米管沉积到不锈钢或钛阳极的表面；(3)碳纳米管薄膜自然干燥6小时之后，用载玻片把沉积后的碳纳米管薄膜压平；(4)对沉积的碳纳米管薄膜在密封的高温炉中，以1～2L/分钟充入氮气，以10℃/分钟的升温速度缓慢加温，加到350～400℃时，保持恒温30～60分钟，在氮气保护下降至室温，取出。
2.根据权利要求1所述碳纳米管场致发射薄膜的制备方法，其特征在于，所述电泳沉积工艺为沉积电压在5-50V、控制电流为10mA，沉积时间为10分钟-5小时。
3.根据权利要求1所述碳纳米管场致发射薄膜的制备方法，其特征在于，压后的碳纳米管薄膜放入高温炉中烧结，以1.5L/分钟充入氮气，以10℃/分钟的升温速度缓慢加温，加到400℃时，保持恒温40分钟，在氮气保护下降至室温，取出。
全文摘要
本发明公开了属于纳米材料准备技术领域的一种碳纳米管场致发射薄膜的制备方法。主要利用十二烷基硫酸钠水溶液中对生长后的原始碳纳米管超声分散，形成碳纳米管悬浮电泳液，然后利用电泳沉积法将分散后的碳纳米管沉积到不锈钢或钛阳极的表面。最后对沉积的碳纳米管薄膜在高温炉中，缓慢加温，加到400℃时，保持恒温30分钟，然后取出，氮气保护下冷却。完成整个碳纳米管薄膜的制备与烧结。该方法烧结后的碳纳米管薄膜与基底有非常好的结合性能，并转化成许多岛状薄膜，岛状薄膜之间的裂缝中出现崩断的干净碳纳米管，从而具有很低的开启电压和很高的场发射电流密度。在平板显示屏、化学和生物的传感器、半导体装置等有潜在的应用价值。
文档编号C25D15/00GK1962960SQ20061011406
公开日2007年5月16日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者胡元中, 彭倚天, 王慧 申请人:清华大学