專利名稱：場致發(fā)射電子源及其碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種場致發(fā)射電子源及其碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法。
背景技術(shù)：
真空電子器件現(xiàn)在正呈快速發(fā)展趨勢，市場需求的日益增大，特別是微型化真空電子器件和集成真空電子器件是目前發(fā)展的重點(diǎn)方向。場發(fā)射電子源在低溫或者室溫下工作，與目前電真空器件中的熱電子源相比具有亮度高、功耗低、能量散射小、響應(yīng)速度快以及無熱蒸散等優(yōu)點(diǎn)，因此作為真空電子器件電子源，可使真空電子器件性能大幅度提高。場致發(fā)射陰極電子源的示意圖如圖1所示，圖中I為發(fā)射體，如鑰尖端、碳納米管等。在外加電場的作用下，發(fā)射體頂端處具有很高的電場強(qiáng)度，使其表面勢壘降低并減薄，由于隧道效應(yīng)，大量電子從發(fā)射體逸出至真空中形成自由電子。碳納米管具有納米級發(fā)射尖端、大長徑比、高強(qiáng)度、高韌性、良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等特性，使之成為理想的場致發(fā)射材料。但利用碳納米管作為場發(fā)射電子源，碳納米管與基底接口處的電阻比較大，同時與基底接觸部分的導(dǎo)熱能力大大低于碳納米管，在強(qiáng)流發(fā)射時會產(chǎn)生大量焦耳熱使接口處溫度過高而燒毀，甚至導(dǎo)致碳納米管場致發(fā)射陰極完全失效。圖2是碳納米管陣列大電流發(fā)射后的SEM照片，由圖2可以看見，在碳納米管與基底接觸處存在許多溶化的小坑，溶化點(diǎn)就是因?yàn)榇箅娏靼l(fā)射時，因碳納米管與基底處導(dǎo)熱導(dǎo)電性能不好，產(chǎn)生了大量焦耳熱而又無法快速散發(fā)出去，導(dǎo)致局部溫度過高而使基底溶化。石墨烯是一種新型的碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、機(jī)械力學(xué)性能。石墨烯作為場致發(fā)射材料，也表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力和導(dǎo)熱能力，以及穩(wěn)定的化學(xué)性 能，從石墨烯的邊緣也可以獲得IO7 ^ioVcm2的場致發(fā)射電流密度。但石墨烯要求邊緣豎立于基底才能獲得良好的發(fā)射性能，工藝上要實(shí)現(xiàn)石墨烯按照一定的空間分布豎立于基底非常困難，因此，目前石墨烯的有效電流密度非常小，無法滿足真空電子器件的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射電子源，其旨在解決現(xiàn)有的場致發(fā)射電子源中場致發(fā)射陰極陣列存在的發(fā)射穩(wěn)定性差、總發(fā)射電流低以及場致發(fā)射體與基底之間存在接觸熱阻并且接觸電阻很大導(dǎo)致導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能很差的技術(shù)問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種場致發(fā)射電子源，其特征在于，包括導(dǎo)電基底、石墨烯薄膜層和定向垂直于石墨烯薄膜層的碳納米管陣列，所述石墨烯薄膜層粘附在導(dǎo)電基底上，所述碳納米管陣列中的碳納米管的一端與石墨烯薄膜層連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。所述碳納米管的直徑為InnTlOOnm ;所述碳納米管束的直徑為IOnnTlOO μ m ;所述碳納米管線寬度為IOnnTlOO μ m。所述石墨烯薄膜層為多層或單層。所述導(dǎo)電基底為金屬基片或覆蓋有金屬電極的其他材料。所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，碳納米管與石墨烯薄膜同時生長，碳納米管的一端與石墨烯形成原子級的相連，形成C-C共價鍵，其制備過程包括以下步驟
①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、乙醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面；
②采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積一層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜，如鎳、銅、鐵等單質(zhì)材料或者相關(guān)合金薄膜；
③采用高精度光刻技術(shù)，在鍍膜好的基底上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列；
④材料真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上域分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料；
⑤采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列和石墨烯同時生長。所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，在生長好碳納米管后，再在碳納米管陣列之間的空隙處制備連續(xù)的石墨烯，碳納米管與石墨烯之間沒有形成C-C共價鍵，其制備 過程包括以下步驟
①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、乙醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面；
②采用高精度光刻技術(shù)，在鍍膜好的基底上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列；
③采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上域分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料；
④采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD )、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的生長；
⑤采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積一層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜，如鎳、銅、鐵等單質(zhì)材料或者相關(guān)合金薄膜；
⑥采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)石墨烯連續(xù)膜的生長；
當(dāng)然，第⑤和第③、第④步驟可以根據(jù)需要調(diào)整順序。所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，先制備好石墨烯薄膜，再在石墨烯薄膜上生長碳納米管陣列，碳納米管與石墨烯之間沒有形成C-C共價鍵；其制備過程以下步驟
①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、乙醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面；
②采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積一層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜，如鎳、銅、鐵等單質(zhì)材料或者相關(guān)合金薄膜；③采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)石墨烯連續(xù)膜的生長；
④采用高精度光刻技術(shù)，在石墨烯連續(xù)膜上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列；
⑤采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上域分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料；
⑥采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWCVD)、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD )、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的生長。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
一、大大提高碳納米管陣列場發(fā)射電子源的發(fā)射能力和穩(wěn)定性，使得本發(fā)明的電子源獲得高效穩(wěn)定的發(fā)射電流以及可以承受極高的發(fā)射電流密度；
二、適用于對電流發(fā)射特性要求較高，特別是要求極高電流密度的場發(fā)射器件，例如速調(diào)管、行波管、平板顯示、電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)、高頻功率放大器件和X射線管等真空微電子器件。


圖1為場致發(fā)射電子源結(jié)構(gòu)示意 圖2為碳納米管陣列經(jīng)過大電流密度的過流發(fā)射后的SEM照片；
圖3為碳納米管與石墨烯同時生長的復(fù)合結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射電子源結(jié)構(gòu)示意 圖4為先制備好碳納米管陣列后再制備石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射電子源結(jié)構(gòu)示意圖；`
圖5為先制備好石墨烯連續(xù)薄膜，再在石墨烯上生長碳納米管形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)場致發(fā)射電子源結(jié)構(gòu)示意 附圖標(biāo)記為1為發(fā)射體、2為導(dǎo)電層、3為陽極、4為因過熱基底溶化形成的小坑、5為碳納米管束、6為襯底、7為石墨烯與襯底之間的中間層、8為石墨烯、9為碳納米管陣列。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。一種碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的場致發(fā)射電子源，包括導(dǎo)電基底、石墨烯薄膜層和定向垂直于石墨烯薄膜層的碳納米管陣列，所述石墨烯薄膜層粘附在導(dǎo)電基底上，所述碳納米管陣列中的碳納米管的一端與石墨烯薄膜層連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。所述碳納米管的直徑為lnnTlOOnm。所述石墨烯薄膜層為多層或單層。所述導(dǎo)電基底為金屬基片或覆蓋有金屬電極的其他材料。以直徑為IOOnnTlOO μ m的碳納米管束為發(fā)射單元，或者以寬度為IOOnnTlOO μ m
的微碳納米管線，容易實(shí)現(xiàn)定向生長，可以獲得穩(wěn)定的大發(fā)射電流密度，使發(fā)射電流可控性更好，大大提高碳納米管場致發(fā)射的穩(wěn)定性和可靠性；當(dāng)然采用單根碳納米管也有可能實(shí)現(xiàn)定向垂直于石墨烯的制備，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以獲得更好的性能。同時引入石墨烯層解決碳納米管與基底接觸不良的問題以獲得碳納米管與基底良好的電接觸和熱導(dǎo)接觸。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，在強(qiáng)發(fā)射時產(chǎn)生的焦耳熱非常低，產(chǎn)生的焦耳熱也能極快地傳導(dǎo)出去以避免 接觸交界面存在的過熱而導(dǎo)致基底融化燒毀現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種場致發(fā)射電子源，其特征在于，包括導(dǎo)電基底、石墨烯薄膜層和定向垂直于石墨烯薄膜層的碳納米管陣列，所述石墨烯薄膜層粘附在導(dǎo)電基底上，所述碳納米管陣列中的碳納米管的一端與石墨烯薄膜層連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源，其特征在于，所述碳納米管的直徑為InnTlOOnm ;碳納米管束的直徑為IOnnTlOO u m ;或者碳納米管線寬度為IOnnTlOO u m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源，其特征在于，所述石墨烯薄膜層為多層或單層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場致發(fā)射電子源，其特征在于，所述導(dǎo)電基底為金屬基片或覆蓋有金屬電極的其他材料。
5.所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在干，碳納米管與石墨烯薄膜同時生長，碳納米管的一端與石墨烯形成原子級的相連，形成C-C共價鍵，其制備過程包括以下步驟 ①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、こ醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面； ②采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積ー層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜； ③采用高精度光刻技術(shù)，在鍍膜好的基底上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列； ④采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料。
⑤采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列和石墨烯同時生長。
6.所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，其特征在于，在生長好碳納米管后，再在碳納米管陣列之間的空隙處制備連續(xù)的石墨烯，碳納米管與石墨烯之間沒有形成C-C共價鍵，其制備過程包括以下步驟 ①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、こ醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面； ②采用高精度光刻技術(shù)，在鍍膜好的基底上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列； ③采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上域分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料； ④采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的生長； ⑤采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積ー層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜，如鎳、銅、鐵等單質(zhì)材料或者相關(guān)合金薄膜； ⑥采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)石墨烯連續(xù)膜的生長。
當(dāng)然，第⑤和第③、第④步驟可以根據(jù)需要調(diào)整順序。
7.所述場致發(fā)射電子源的碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，先制備好石墨烯薄膜，再在石墨烯薄膜上生長碳納米管陣列，碳納米管與石墨烯之間沒有形成C-C共價鍵；其制備過程以下步驟 ①選用硅片或者其他材料作為襯底，用丙酮、こ醇和去離子水去除表面臟物，得到干凈的娃表面。
②采用真空鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方法在基底上沉積ー層適合石墨烯生長的連續(xù)薄膜，如鎳、銅、鐵等單質(zhì)材料或者相關(guān)合金薄膜。
③采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)石墨烯連續(xù)膜的生長。
④采用高精度光刻技術(shù)，在石墨烯連續(xù)膜上制備出根據(jù)設(shè)計要求的微孔陣列或者線條陣列。
⑤采用真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜或者其他鍍膜方式在光刻好的基底上域分別沉積適合適合沉積碳納米管生長的催化劑堆棧層材料。
⑥采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法、或者離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、或者其他類型的CVD方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的生長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種場致發(fā)射電子源及其碳納米管石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括導(dǎo)電基底、石墨烯薄膜層和定向垂直于石墨烯薄膜層的碳納米管陣列，所述石墨烯薄膜層粘附在導(dǎo)電基底上，所述碳納米管陣列中的碳納米管的一端與石墨烯薄膜層連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明大大提高碳納米管陣列場發(fā)射電子源的發(fā)射能力和穩(wěn)定性，使得本發(fā)明的電子源獲得高效穩(wěn)定的發(fā)射電流以及可以承受極高的發(fā)射電流密度。
文檔編號B82Y40/00GK103050346SQ20131000279
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者陳澤祥, 王智慧, 唐寧江 申請人:電子科技大學(xué)