一种纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法
【专利说明】一种纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法
[0001]本发明得到国家自然科学基金一青年基金项目资助(项目编号51302187)。得到天津市应用基础与前沿技术研宄计划重点项目资助(项目编号14JCZDJC32100)。
技术领域
[0002]本发明属于纳米材料的制备与应用技术领域，涉及利用等离子体增强化学气相沉积法以硅纳米线为基制备一种具有独特结构的复合纳米材料，并将之用于场电子发射器件的制备方法。
【背景技术】
[0003]硅纳米线作为一种半导体一维纳米材料，具有较大的长径比，在新一代真空管、X射线管、场致发射平板显示等场电子发射领域具有一定的应用前景。以硅纳米线为基的场发射阴极材料与传统的具有优异场发射性能的碳纳米管阴极材料相比，具有与基底接触好的优势，这就可以大幅拓宽其应用范围。场电子发射是一个电子隧穿材料表面势皇并逸出到真空中的过程，其与材料表面功函数、材料导电性、材料几何外形、材料表面形态等都有一定关联。对以硅纳米线为基的场发射阴极而言，降低功函数、改变其几何外形、改变其表面形态等都是提升其场发射性能的有效途径。其中通过改变硅纳米线表面形态来提升其场发射性能也是研宄的热点，比较常见的就是通过一定手段增加其有效场发射点的数目。电子能够克服场发射点处的势皇逸出，需要该场发射点处能够有足够大的局域电场强度，这就对场发射点的形貌提出了要求。一般而言，尖锐的几何外形更利于在尖端处形成大的局域电场，从而使电子克服势皇逸出。对于硅纳米线而言，场电子发射主要发生在其曲率半径小的尖端，而在硅纳米线的侧壁则鲜有场电子发射现象。硅纳米线这种场发射点较少的结构特点也使得其具有较大的开启场(一般为6-8 V/μπι)和很低的场发射电流密度(一般小于I mA/cm2)，这对实际应用是非常不利的。由此可见，若能通过一定的手段使得硅纳米线除了尖端之外，还有更多新的有效场发射点，就可以在一定程度上降低其工作电场，并大幅增加其场发射电流密度。此外，由于硅纳米线本身非常差的场电子发射能力，使得其很难在较大场发射电流密度(如大于I mA/cm2)下稳定工作。若能提升娃纳米线的场电子发射能力，大电流密度稳定场电子发射将能变为现实。
[0004]本发明将密集分布的、具有锋锐边缘的纳米碳片与硅纳米线有机结合构成复合材料，新材料既保留了硅纳米线大长径比的几何特点，也通过生长碳片引入了大量高效率的场发射点，从而使所制备的阴极材料具有低的开启场、大的场发射电流密度以及在场发射电流密度大于I mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性，大幅提升了其应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有以硅纳米线为基的场发射阴极开启场高、场发射电流密度小、场发射电流密度大于I mA/cm2时难以稳定工作的不足，利用一种简单的等离子体增强化学气相沉积工艺在硅纳米线上生长密集分布的纳米尺度碳片，使得硅纳米线上的场发射点数目大量增加，从而提供一种开启场低、场发射电流密度大幅提升、在场发射电流密度大于I mA/cm2时也能稳定场电子发射的娃纳米线基复合场发射阴极材料。
[0006]本发明的目的是通过如下措施来达到的:
一种纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，其特征是:在用金属催化腐蚀法制备的硅纳米线阵列上利用微波等离子体增强化学气相沉积法生长纳米尺度的碳片，调节微波功率为150-200W、基底温度为1073K、反应室气压为lkPa、氢气流量为lOsccm、乙块气流量为4_6sccm条件下沉积2_4小时，最终获得不同形貌的纳米碳片_娃纳米线复合结构场发射阴极材料；所述的纳米碳片指的是直径大多在60-100纳米、边缘层数一般在2-5层的密集分布的碳片。
[0007]本发明所述的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，制备硅纳米线阵列的方法可以是金属催化腐蚀法，也可以是任意的可用于制备阵列硅纳米线的方法。
[0008]本发明所述的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，制备中用于沉积纳米碳片的等离子体增强化学气相沉积装置可以是微波源驱动的，也可以是射频源驱动的。
[0009]本发明进一步公开了纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，其特征在于按如下步骤进行:
(I)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，其目的在于去除硅晶片表面的有机污染物。
[0010](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，其目的在于去除硅晶片表面的二氧化硅覆盖层。
[0011 ] (3)将步骤(2)得到的洁净硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H20 = 2:10:38的溶液中浸泡，时间为I分钟，用于沉积Ag催化剂，AgNOjP HF酸溶液的浓度分别为0.0I和4 mo I/L ；
(4)将步骤(3)得到的硅晶片立即置入体积比为H202:HF:H20= 1:10:39的溶液中腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，H2O2和HF酸溶液的浓度分别为0.176和4 mo I/L ；
(5)将步骤(4)得到的硅纳米线阵列放入微波等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，通入1sccm高纯氢气(5N)，调节反应室气压约为lkPa，并对基底加热至1073K，等待温度稳定；
(6)在步骤(5)的基础上启动微波源，调节微波功率为150-200W，并通入4-6sCCm的乙炔气，并迅速调节气压至稳定为lkPa，即开始碳片的沉积，生长时间为2-4小时，最终所得即为纳米碳片-娃纳米线复合结构材料；
(7)以步骤(6)所得到的生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片为基底按常规方法组装场电子发射器，具体如下:用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度约为2毫米的铜金属电极上作为场发射阴极，并将阴极接地，用一厚度约为2毫米的铜板作为阳极，两电极用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔离，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流的大小可通过改变正偏压大小来调节；以硅单晶片上生长的纳米碳片-硅纳米线复合结构为基的场发射阴极材料的开启电场(场发射电流密度为10 μ A/cm2所需的电场)最低仅为3.01 V/ μ m，场发射电流密度为I mA/cm2时对应电场强度最低仅为3.29 V/μ m，最大场发射电流密度可达3.98 mA/cm2，且在平均场发射电流密度大于I mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性。
[0012]本发明与现有技术相比其优越性在于:
本方法制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极，由于大量新的高效率场发射点的引入，复合结构具有比单纯硅纳米线好得多的场发射性能。纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场最低仅为3.01 V/μ m (原始硅纳米线为6.77 V/μ m)，场发射电流密度为ImA/cm2时对应电场强度最低仅为3.29 V/μm (原始娃纳米线为7.08 V/μπι)，最大场发射电流密度可达3.98 mA/cm2 (原始娃纳米线为1.18 mA/cm2)，且在平均场发射电流密度大于I mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性。所用的微波等离子体增强化学气相沉积法，工艺相对较为简单，且不会在硅纳米线中引入其它杂质，具有较高的实用价值。
[0013]【附图说明】:
图1是本发明制备纳米碳片-硅纳米线复合结构的工艺流程示意图，主要分为制备洁净硅晶片基底、金属催化腐蚀法制备硅纳米线、微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片等三个部分；
图2是不同条件下制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，所得碳片直径多为60-100纳米，包括:
21.按实施例1条件制备的原始硅纳米线阵列上半部分的扫描电镜图片，所示硅纳米线直径一般为50-150纳米，且彼此呈分离状态；
22.按实施例1条件(微波功率:150W;乙炔气流量:4sCCm ;沉积时间:4小时)所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
23.按实施例2条件(微波功率:150W;乙炔气流量:5sCCm ;沉积时间:4小时)所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
24.按实施例2条件(微波功率:150W;乙炔气流量:6sCCm ;沉积时间:4小时)所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
图3是本发明中所用微波等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图；所用氢气、乙炔气纯度均为5N，加热器为自制石墨加热器，用“分子泵+机械泵”组合装置抽真空；
图4是实施例1所制备纳米碳片-硅纳米线复合结构的高分辨透射电镜图片，显示出碳片具有锋锐的边缘；
图5所示为高真空场发射测试仪的结构示意图，用于测试各实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能；该装置是一个常规的二极管构型的场发射测试装置:以所制备的场发射材料为阴极，以直径约为10厘米的不锈钢板为阳极，阳极位置精确可调，两极板保持平行且固定间距为I毫米；测试中，将阴极接地，在阳极负载O-1OkV可调正偏压；测试数据通过电脑自动记录；
图6是在不同条件下制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能图，具体包括实施例1、实施例2、实施例3中所制备样品与原始硅纳米线阵列场发射性能的比较，其表征的是场发射电流密度随外加电场强度增加的变化关系。