4H‑SiC纳米带阵列在高温场发射阴极材料中的应用的制作方法

本发明涉及一种纳米材料在场发射阴极材料中的应用，尤其涉及一种4H-SiC纳米带阵列在高温场发射阴极材料中的应用，属于纳米材料应用领域。

背景技术：

随着科技的发展与应用，低维材料的制备在新科技技术中发挥的作用也越来越重要。由于纳米带、纳米棒、纳米管和纳米线的本质的特性，在信息存储、能量存储、传感器和光电方面的优势，已经被大量的研究。SiC作为典型的第三代半导体材料，具有高的禁带宽度、高的热导率和电子饱和迁移率、小的介电常数等优越特性。SiC的一维纳米材料的研究也越来越多。

目前，纳米带的制备涉及到很多方法，Wang等人通过气相沉积(CVD)方法制备了不同氧化物纳米带，包括ZnO纳米带、SnO₂纳米带、CdO纳米带、In₂O₃纳米带等。2008年，Wei等人通过微波还原碳的方法合成3C-SiC纳米带，经过场发射性能测试，3C-SiC纳米带的开启电压是3.2V/μm，展示了较好的场发射性能。2012年，Meng等人通过化学气相反应法(CVR)合成了β-SiC纳米带，开启电场和抑制电场分别是3.2V/μm和5.7V/μm，展示了优异的场发射性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种在200-300℃高温下具有较低的开启电场和较高的电子发射稳定性的4H-SiC纳米带阵列在高温场发射阴极材料中的应用。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：4H-SiC纳米带阵列在高温场发射阴极材料中的应用，所述4H-SiC纳米带阵列为场发射阴极，所述4H-SiC纳米带阵列中至少纳米带具有介孔结构，所述场发射阴极在200-300℃的电子发射波动性为5-6％，开启电场为1.2-0.8V/μm。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述4H-SiC纳米带阵列中至少部分为原子掺杂4H-SiC纳米带阵列。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述原子掺杂4H-SiC纳米带阵列包括P掺杂4H-SiC纳米带阵列、N掺杂4H-SiC纳米带阵列、Bi掺杂4H-SiC纳米带阵列、He掺杂4H-SiC纳米带阵列、Ni掺杂4H-SiC纳米带阵列中的一种或多种。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述4H-SiC纳米带阵列的制备方法为：以4H-SiC晶片的碳面为刻蚀面，在刻蚀液中经电化学刻蚀得到。4H-SiC晶片分碳面和硅面，碳面的刻蚀空洞比硅面规整，因此，为了获得孔径均一的介孔结构的4H-SiC纳米带阵列，本发明优选4H-SiC晶片的碳面为刻蚀面。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述刻蚀液包括酸、氧化剂和溶剂，所述酸、氧化剂和溶剂的体积比为3:(0-1):(3-10)。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述酸为氢氟酸，所述氧化剂为过氧化氢，所述溶剂为乙醇或乙二醇。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述刻蚀液包括氢氟酸、过氧化氢和乙醇，所述氢氟酸、过氧化氢和乙醇的体积比为3:1:6。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述电化学刻蚀使用恒压源或脉冲电流源为刻蚀电源。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述恒压源的电压为15-20V。

在上述的4H-SiC纳米带阵列在场发射阴极材料中的应用中，所述脉冲电流源的恒流脉冲为30-50mA/cm²，脉冲停留时间为1-10ms。

在本发明的刻蚀电源的条件下，本发明4H-SiC纳米带阵列的介孔孔径的宽度较为一致，有效控制了介孔孔径宽化的问题。

与现有技术相比，本发明实现了在常温常压下SiC纳米带阵列场发射阴极的温和制备，且所制备的SiC纳米带阵列场发射阴极在200-300℃的高温下具有较低的开启电场和具有良好的电子发射稳定性，具备在高温苛刻服役条件下稳定工作的能力。

附图说明

图1为N掺杂SiC纳米带阵列的场发射阴阳极距离分别在500、600和700μm条件下的场发射电流密度-电场强度的曲线图；

图2为N掺杂SiC纳米带阵列在200℃下的电子连续发射3小时的稳定性；

图3为N掺杂SiC纳米带阵列在300℃高温下连续3小时电子发射稳定性。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

初始原料为N参杂的4H-SiC晶片，用笔式钻石刻刀切割成1×1cm²的样品。样品分别经过以丙酮、乙醇、蒸馏水为溶液的超 声波清洗，主要目的是去除样品表面的油渍。把氢氟酸：乙醇＝1:1的混合液放入聚四氟乙烯杯中，样品侵入溶液2min，主要作用是去除样品表面的氧化物。然后以4H-SiC晶片的碳面为刻蚀面，将样品在氢氟酸：乙醇：过氧化氢以体积比为3:6:1组成的刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀电源为18V的恒压源，刻蚀时间为5min。刻蚀后样品放入乙醇溶液中，10min后取出放在滤纸上，在空气干燥，得到介孔结构的4H-SiC纳米带阵列。

实施例2：

初始原料为N参杂的4H-SiC晶片，用笔式钻石刻刀切割成1×1cm²的样品。样品分别经过以丙酮、乙醇、蒸馏水为溶液的超声波清洗，主要目的是去除样品表面的油渍。把氢氟酸：乙醇＝1:1的混合液放入聚四氟乙烯杯中，样品侵入溶液2min，主要作用是去除样品表面的氧化物。然后以4H-SiC晶片的碳面为刻蚀面，将样品在氢氟酸：乙醇：过氧化氢以体积比为3:6:1组成的刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀电源为45mA/cm²的脉冲电流源，脉冲停留时间为5ms，刻蚀时间为5min。刻蚀后样品放入乙醇溶液中，10min后取出放在滤纸上，在空气干燥，得到介孔结构的4H-SiC纳米带阵列。

将得到的介孔结构的N掺杂SiC纳米带阵列作为阴极，不锈钢为阳极，场发射测试仪器的真空度为1.7×10^-7Pa，阴阳极之间距离为500、600和700μm，电压-电流曲线由Keithley 248高压电源测定，场发射性能测试分别在200℃和300℃下进行。

图1为N掺杂SiC纳米带阵列的场发射阴阳极距离分别在500、600和700μm条件下的场发射电流密度-电场强度的曲线图，其开启电场为1.2～0.8V/μm。

图2为N掺杂SiC纳米带阵列在200℃下的电子连续发射3小时的稳定性，电子发射的波动为±5.2％。图3为N掺杂SiC纳米带阵列在300℃高温下连续3小时电子发射稳定性，其电子发 射波动为±5.8％。

因此，本发明所制备的介孔结构的4H-SiC纳米带阵列场发射阴极材料具备在高温苛刻服役条件下的稳定工作能力。

在上述的实施例及其替换方案中，初始原料还可以为4H-SiC晶片、P掺杂4H-SiC晶片、Bi掺杂4H-SiC晶片、He掺杂4H-SiC晶片、Ni掺杂4H-SiC晶片。

在上述实施例及其替换方案中，刻蚀液中酸、氧化剂和溶剂的体积比还可以为3:0:3、3:0:4、3:0:5、3:0:6、3:0:7、3:0:8、3:0:9、3:0:10、3:0.5:3、3:0.5:4、3:0.5:5、3:0.5:6、3:0.5:7、3:0.5:8、3:0.5:9、3:0.5:10、3:1:3、3:1:4、3:1:5、3:1:7、3:1:8、3:1:9、3:1:10。

在上述实施例及其替换方案中，恒压源的电压还可以为15V、16V、17V、19V、20V。

在上述实施例及其替换方案中，脉冲电流源的恒流脉冲还可以为30mA/cm²、31mA/cm²、32mA/cm²、33mA/cm²、34mA/cm²、35mA/cm²、36mA/cm²、37mA/cm²、38mA/cm²、39mA/cm²、40mA/cm²、41mA/cm²、42mA/cm²、43mA/cm²、44mA/cm²、46mA/cm²、47mA/cm²、48mA/cm²、49mA/cm²、50mA/cm²，脉冲停留时间为1ms、2ms、3ms、4ms、6ms、7ms、8ms、9ms、10ms。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。介孔结构的4H-SiC纳米带阵列为场发射阴极时，在200-300℃的电子发射波动性均为5-6％，开启电场均为1.2-0.8V/μm。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1、2作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各 种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。