阵列的场发射性能测试在高真空场发射测试仪(有市售)中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约IXlO-7Pa (用常开的钛离子泵抽真空)。将所制备的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为2毫米；测试时，在阳极上负载O-1OkV可调正偏压，偏压增速恒定为500V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例所得的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列的开启场、阈值场和最大场发射电流密度分别为0.98 V/ym、1.51 V/μπι和40.57 mA/cm2，要优于原始碳纳米管的1.24 V/ μ 1.76 V/μπι和21.90 mA/cm2。场发射性能的提升可归因于长时间低功率氢等离子体处理后碳纳米管表面有效场发射点的增多，大量的碳纳米颗粒均可成为有效场发射点，场发射电流密度相比原始碳纳米管仅有尖端发射电子无疑将大幅提升。
[0057]( 6 )场电子发射器组装(常规组装方法):
用导电胶将生长有碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
[0058]实施例7
(I)制备洁净娃晶片基底:
首先将硅片切成2cmX 2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声(50W)清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
[0059]( 2 )磁控溅射法沉积铁催化剂:
铁催化剂的沉积在磁控溅射装置(有市售)中进行。在此之前，先将硅单晶片在金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA源，有市售)中进行载能铁离子轰击预处理，铁离子能量约为15keV，束流为10毫安，处理时间为15分钟，该处理可有效提升碳纳米管与硅基底间的结合力；然后将载能铁离子轰击过的硅晶片放置在样品台上，先对真空室抽真空至约8X10_5Pa，以排除杂质气体污染，然后通入高纯(5N)氩气，调节腔室气压为1.0Pa ;沉积时，直流电源电流为60毫安，同时在样品台上加150伏负偏压，沉积时间为125秒，所获铁膜厚度为5纳米。
[0060](3)热化学气相沉积法制备碳纳米管阵列:
碳纳米管阵列的生长在高温管式炉(有市售)中完成，所用方法为传统的热化学气相沉积法，且整个过程在常压下完成。首先将沉积有5纳米铁催化剂的硅晶片置入管式炉石英管内样品台上，封闭好石英管后，将铁催化剂在400sCCm氢气、853K条件下热处理I小时；后在150sccm氨气、1023K条件下处理10分钟以提升催化剂活性；最后在87sccm乙炔、600SCCm氢气、1023K条件下生长碳纳米管阵列，生长时间为30分钟。
[0061](4)低功率射频氢等离子体处理碳纳米管阵列:
氢等离子体处理碳纳米管阵列在射频装置(有市售)中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的碳纳米管阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约8 X 10_4Pa，然后在氢气(纯度为5N)氛围中对基底进行加热，升温速率约为60K/min，直到温度稳定在1000K为止，并调节气压为lOOPa，待温度和气压均稳定后，启动射频源，调节射频功率为35W，处理时间为15小时。
[0062](5)场发射性能测试:
碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列的场发射性能测试在高真空场发射测试仪(有市售)中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约IXlO-7Pa (用常开的钛离子泵抽真空)。将所制备的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为2毫米；测试时，在阳极上负载O-1OkV可调正偏压，偏压增速恒定为500V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例所得的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列的开启场、阈值场和最大场发射电流密度分别为0.93 ν/μπι、1.46 V/μπι和46.78 mA/cm2，要优于原始碳纳米管的1.24 V/ μπι、1.76 V/ μπι和21.90 mA/cm2。场发射性能的提升可归因于长时间低功率氢等离子体处理后碳纳米管表面有效场发射点的增多，大量的碳纳米颗粒均可成为有效场发射点，场发射电流密度相比原始碳纳米管仅有尖端发射电子无疑将大幅提升。
[0063]( 6 )场电子发射器组装(常规组装方法):
用导电胶将生长有碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
[0064]最后需说明的是，以上仅列举了本发明的典型实施例。但显然本发明并不限于上述实施例，还有许多其它的实验参数组合方法，本研宄领域内的普通技术人员可从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有情形，均应当认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极的制备方法，其特征在于利用射频技术产生氢等离子体来处理热化学气相沉积法制备的碳纳米管阵列，调整射频功率为30-50W、基底温度为1000K、反应室气压为lOOPa、处理时间为10-30小时，最终获得不同形貌的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极材料；所述的碳纳米颗粒指的是直径一般为15-30纳米的颗粒。2.权利要求1所述的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极的制备方法，其特征是:所述的碳纳米管阵列可以用传统的热化学气相沉积法制备，也可用其它任意的可制备阵列碳纳米管的方法来制备。3.权利要求1所述的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极的制备方法，其特征是:用于产生氢等离子体的装置可以是低功率的射频源，也可以是其它任意的可产生低功率密度氢等离子体的装置。4.权利要求1所述的碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极的制备方法，其特征在于按如下步骤进行: (1)将硅单晶片依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声清洗10分钟，超声功率为50W ； (2)将步骤(I)得到的硅晶片置入到体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟； (3)对步骤(2)得到的硅晶片在金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA源)中进行载能铁离子轰击预处理，轰击时铁离子能量约为15keV，束流为10毫安，处理时间为15分钟； (4)将步骤(3)得到的载能铁离子轰击过的硅晶片置入磁控溅射装置中沉积厚度为5纳米的铁催化剂； (5)将步骤(4)得到的沉积有5纳米铁催化剂的硅片放入高温石英管式炉中，先将催化剂在400sccm氢气、853K条件下热处理I小时，后在150sccm氨气、1023K条件下处理10分钟，最后在87sccm乙炔、600sccm氢气、1023K条件下常压生长碳纳米管阵列，生长时间为30分钟； (6)将步骤(5)得到的碳纳米管阵列放入射频装置的处理室中，通入高纯氢气(5N)，调节反应室气压为lOOPa，并对基底加热至1000K，等待气压和温度稳定； (7)在步骤(6)的基础上启动射频源，调节射频功率为30-50W，开始处理碳纳米管阵列，处理时间为10-30小时，最终所得即为碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列，并将其作为场发射阴极材料按常规方法组装场电子发射器件。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纳米颗粒包覆的碳纳米管阵列场发射阴极的制备方法，属于纳米材料的制备和应用领域。其主要包括以下制备工艺：以热化学气相沉积法在硅单晶片上制备碳纳米管阵列；利用射频技术产生氢等离子体在低功率下长时间处理碳纳米管阵列；最后以所获得的表面包覆有碳纳米颗粒的碳纳米管阵列作为阴极组装场电子发射器。本方法所制备的包覆有碳纳米颗粒的碳纳米管阵列，颗粒直径一般为15-30纳米，其作为场发射阴极材料具有比单纯碳纳米管阵列更低的开启场和阈值场以及更好的场发射稳定性，有较高的应用价值。
【IPC分类】H01J9/02, B82Y40/00
【公开号】CN104882346
【申请号】CN201510152542
【发明人】邓建华, 程国安, 邓丽娜
【申请人】天津师范大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月2日