[0014]图7是实施例1所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构在平均场发射电流密度为1.34 mA/cm2、外加电场强度为3.45 V/ μπι、测试时间为15小时的场发射稳定性图，表征的是在外加电场恒定的情况下，场发射电流密度随时间的变化关系。讶P /m_分别表示的是场发射稳定性测试过程中恒定外加电场强度和平均场发射电流密度。
【具体实施方式】
[0015]
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。其中所用到的硅单晶片、无水乙醇、丙酮、氢氟酸、高纯氢气、高纯乙炔气、双氧水、硝酸银溶液等均有市售。超声清洗、微波等离子体增强化学气相沉积、场发射测试仪等装置均有市售。
[0017]图1所示即为本发明制备纳米碳片-硅纳米线复合结构阵列的工艺流程示意图，分为制备洁净硅晶片基底、金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列、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，以下实施例中有关样品制备的部分均按这三步执行。
[0018]实施例1
(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。
[0019](2)金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列:
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法:先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF = H2O = 2:10:38的溶液中浸泡I分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF = H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgN03、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/Lo图2_21所示即为本实施例中所制备的原始娃纳米线阵列上半部分的扫描电镜图片，所示硅纳米线直径大多为50-150纳米，且彼此呈分离状态。
[0020](3)微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片:
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置(有市售)中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0X l(T3Pa，然后通入1sccm氢气(纯度为5N)，调节气压约为lkPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入4sCCm的乙炔气(纯度为5N)，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4小时。图2-22所示即为在本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，与图2-21所示的原始硅纳米线相比，硅纳米线直径变大，同时其表面被密集分布的碳片所覆盖，碳片直径大多为80-100纳米。图4所示为本实施例中制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的高分辨透射电镜图片，可以看出碳片边缘非常锋锐，一般为2-5层，这些密集分布的锋锐碳片在场发射过程中将成为潜在的有效场发射点。
[0021](4)场发射性能测试:
纳米碳片-硅纳米线复合结构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lX10_7Pa (用常开的钛离子泵抽真空)。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构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I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500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。图6所示即为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，具体包括本实施例、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。可以看出，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到I mA/cm2时对应外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.10 V/μπι、3.37 V/μm和3.54 mA/cm2，要远远优于原始娃纳米线阵列的6.77 V/ym、7.08 V/μπι和1.18 mA/cm2ο复合结构的场发射性能受到两方面因素影响:一是硅纳米线的变粗会导致其长径比减小，从而使其场发射性能退化；另一方面则是大量出现的具有锋锐边缘的纳米碳片成为新的有效场发射点，大幅提升硅纳米线的场发射性能，在本实施例中，后者的作用更强，导致所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构具有比原始硅纳米线阵列好得多的场发射性能。图7所示为本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构在平均场发射电流密度为1.34 mA/cm2、外加电场强度为3.45 V/ ym、测试时间为15小时的场发射稳定性图，表征的是在恒定外电场作用下，场发射电流密度随时间的变化关系。原始硅纳米线阵列在场发射电流密度约为I mA/cm2时根本无法保持正常稳定的场电子发射。从图7可以看出，在15小时测试中，纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射电流密度没有明显衰减，波动较小，而且恒定外加电场强度仅为3.45 V/ μ m，这种低的工作电压对实际应用是非常重要的。
[0022](5 )场电子发射器组装(常规组装方法):
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。
[0023]实施例2
(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。
[0024](2)金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列:
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法:先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF = H2O = 2:10:38的溶液中浸泡I分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF = H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgN03、HF酸和双氧水浓度分别为 0.01,4 和 0.176 mol/Lo
[0025](3)微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片:
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置(有市售)中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0X l(T3Pa，然后通入1sccm氢气(纯度为5N)，调节气压约为lkPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入5sccm的乙炔气(纯度为5N)，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4小时。图2-23所示即为在本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，与图2-21所示的原始硅纳米线相比，硅纳米线直径明显变大，这对其场电子发射是不利的，同时其表面被密集分布的碳片所覆盖，碳片直径大多为70-90纳米，这些密集分布的锋锐碳片在场发射过程中将成为潜在的有效场发射点。
[0026](4)场发射性能测试:
纳米碳片-硅纳米线复合结构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lX10_7Pa (用常开的钛离子泵抽真空)。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构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I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500 V/min,测试结果通过程序自动记录到电脑中。从图6可以看出，本实施例中所制备的纳米碳片-娃纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到I mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为4.46 V/μπι,4.73 ν/μπ^Ρ2.40 mA/cm2，要优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μπι, 7.08 V/ym和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了大量新的有效场发射点。但是，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到I mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度要弱于150W、4sccm乙炔、4小时条件下制备样品(对应实施例1中复合结构样品)的3.10 V/ μπι、3.37 V/ μπι和3.54 mA/cm2，则是娃纳米线变粗减小了其长径比所致。
[0027](5 )场电子发射器组装(常规组装方法):
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。
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