[发明专利]改善碳纳米管薄膜场发射性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，具体是一种改善碳纳米管薄膜场发射性能的方法。

背景技术

场发射技术是一种冷阴极发射技术，具有电流密度大、功耗低、响应快等特点，在平板显示器、X射线源、微波放大器等真空电子领域具有重要的应用前景。薄膜场发射冷阴极更是具有普通阴极所无法比拟的优点：工作电压低、无预热延迟、高度集成化，可广泛应用于高像质平板电视、便携式计算机显示器等高性能显示器件。在薄膜场发射的研究中，关键性问题之一在于研制有效而且可靠的固体发射表面。虽然研究硅、金属或金刚石等薄膜材料的电子场致发射取得了不少进展，但随着微观领域的低维和纳米尺度研究的进展，科技界对碳纳米管等一维纳米材料的场发射特性产生了更大的兴趣。由于碳纳米管的纳米级发射尖端、大的长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使其成为理想的场发射材料。

现有技术中已有很多制备碳纳米管场发射阴极的方法，比如在衬底上直接生长具有一定取向的碳纳米管阵列(公开号：CN101236872A)、丝网印刷法(公开号：CN1670886A)和电泳沉积法(公开号：CN1962960)等。虽然以上方法都可以得到具有一定场发射性能的碳纳米管阴极，但都有其弱点。直接生长法过于复杂，而且生长过程不易控制；丝网印刷法虽然成本低廉，但是丝网印刷的碳纳米管浆料表面有机物残留和无定形碳的覆盖，伸出表面的碳纳米管不够多且分布不均匀，导致其发射性能较差；电泳沉积法虽然较为简单，容易得到大面积的场发射样品，但是碳纳米管的附着性不好，导致场发射性能不稳定。针对以上方法的不足，人们尝试了多种后处理的方法。在丝网印刷方法制备的样品上，用机械摩擦法和胶带粘贴法，通过施加外部机械力的方式去除阴极表面的覆盖层使得被埋在表面以下的碳纳米管伸出表面，从而大大提高了阴极性能，但是也有可能会由于机械力不均匀而影响全屏的发射均匀性，甚至会降低碳管浆料和阴极电极间的附着力而使得器件损坏。在电泳沉积法制备样品时，沉积一层金属过渡层可以增加碳纳米管与衬底的附着性，但是由于碳纳米管在液态金属中的不浸润性，使得该种方法对场发射性能的提高有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种改善碳纳米管薄膜场发射性能的方法。本发明的方法使碳纳米管薄膜与金属基体间形成良好的机械和电学接触，得到开启电场低、发射电流密度大、电流稳定性好的场发射器件。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体包括如下步骤：

步骤一，在平面基底上镀覆金属薄膜；

步骤二，在金属薄膜上沉积碳纳米管薄膜；

步骤三，超声纳米焊接金属薄膜与碳纳米管薄膜，得到场发射性能改善的碳纳米管薄膜。

步骤一中，所述平面基底的材料为玻璃，硅片，陶瓷和金属中的任意一种。

步骤一中，所述镀覆选自以下方法中的任意一种：电子束蒸发法，磁控溅射法，气相沉积法和化学镀法。

步骤一中，所述金属为W，Mo，Au，Ni，Ti，Cr，Pt和Pd中的任意一种。

步骤二中，所述沉积选用以下方法中的任意一种：电泳沉积法，介电泳沉积法，静电喷涂法，旋涂法，提拉法和LB法。

步骤三中，所述超声纳米焊接具体为：使用金属或陶瓷点阵焊头，焊头的面积为1～100mm²，焊点的尺寸为1～900μm²，超声焊接频率为60kHz，超声能量为0.1～5J，压力为0.2～0.4MPa，焊接时间为0.1～5秒。

超声纳米焊接处理后碳纳米管薄膜与金属基底形成可靠接触，增强了纳米材料与基底之间的附着性，降低了材料与基体的接触电阻，同时在焊点周围得到直立在基底表面的碳纳米管薄膜场发射体，从而提高场发射性能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)利用超声纳米焊接技术，在一维纳米材料与金属基底的焊接区域形成局部互溶体，增强了机械结合，显著提高了发射电流的稳定性；(2)焊接后的一维纳米材料埋入金属基底，与金属基底形成牢固的结合，降低了材料与基体的接触电阻，使得电子可以容易从外电路输送到一维纳米材料发射，从而增大场发射电流密度；(3)利用点阵焊头进行焊接，在焊接样品的表面形成一维纳米材料的微点阵结构。并且由于碳纳米管等一维纳米材料具有很强的刚性，当焊点边缘处的一维材料的一端与金属焊接在一起，导致另一自由端向外突起。这些凸出表面的一维纳米材料形成了良好的场发射结构，具有较高的场增强因子，使得开启电场下降。

具体实施方式