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)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
[0060](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200W，并通入6sccm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3小时。
[0061](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。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3.25 V/ym、3.54 V/μπι和3.50 mA/cm2，要远远优于原始娃纳米线阵列的6.77V/μπι, 7.08 V/μπι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新的有效场发射点。
[0062](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。
[0063]实施例10
(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。
[0064](2)金属催化腐蚀法制备娃纳米线阵列:
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
[0065](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200W，并通入6sccm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。
[0066](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。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3.47 ν/μπι、3.75 V/μπι和3.19 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77V/ym, 7.08 V/μπι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新的有效场发射点。
[0067]( 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。
[0068]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相关情形，均应当认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种纳米碳片-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、乙炔气流量为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。2.权利要求1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，其特征是: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。3.权利要求1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，其特征是: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。4.权利要求1所述的纳米碳片-娃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: (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)将步骤(2)得到的洁净硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O= 2:10:38的溶液中沉积Ag催化剂，时间为I分钟，AgNO3^P HF酸溶液的浓度分别为0.01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-硅纳米线复合结构材料，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】本发明公开了一种纳米碳片-硅纳米线复合结构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：以用金属催化腐蚀法在洁净硅单晶片上制备的硅纳米线阵列为基底；在基底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；最后以所获得的纳米碳片-硅纳米线复合结构为阴极组装场电子发射器。本方法所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构，碳片直径大多为60-100纳米，边缘层数一般为2-5层，在硅纳米线表面密集分布。纳米碳片-硅纳米线复合结构作为场发射阴极材料时具有比单纯硅纳米线阵列更低的开启场和更大的场发射电流密度，有很高的应用价值。
【IPC分类】H01J9/02
【公开号】CN104882347
【申请号】CN201510152591
【发明人】邓建华, 程国安, 汪凡洁
【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