[发明专利]具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料及其制备方法

权利要求书

1.具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料，其特征在于：所述碳基纳米材料是通过在衬底上沉积出簇状结构的纳米薄膜，再在纳米薄膜的边缘尖端上生长出密集的纳米微管而形成，所述纳米微管生长于纳米薄膜簇状结构的尖端之上，所述簇状结构的高度介于0.5um～5um之间，所述簇状结构的长边与衬底表面法线的夹角小于或等于20°，所述纳米微管的高度介于1nm～1000nm之间。

2.如权利要求1所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料，其特征在于：所述衬底选用铜、铬、金、铁、钴、镍中的一种或几种组合。

3.具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)选择适合碳基纳米材料生长的基材，并对基材进行物理和化学清洗，达到沉积所需的表面清洁状态；

2)将清洗好的基材装载入磁控溅射反应室中，待达到工作真空后通入惰性气体，启动电极，形成等离子体，通过等离子体轰击靶材，在基材上沉积不同的两至三层金属作为衬底，沉积厚度选取100～200纳米；

3)将沉积在基材上的衬底转入高温化学气相沉积反应炉中，开启加热装置，使反应炉温度提升至200～600℃，然后通入反应气体和载气的混合气以及惰性气体，并形成等离子体，通过电极加速，使反应离子对衬底进行物理轰击与化学反应处理过程，在衬底表面生长均匀的纳米颗粒层；

其中，该反应气体选用碳基气体，所述载气选用氢气、氨气、氮气中的一种或多种混合气体。

4)提升反应炉温度至500～700℃，降低载气比例，提高碳基气体浓度，该碳基气体选用碳氢化合物气体，使纳米碳材料进行无定型沉积，控制沉积速率低于每秒10nm，形成簇状强化结构；

5)提升反应炉温度至800～1200℃，提升载气比例，降低碳基气体浓度，使碳材沉积速率降低，将由无定型沉积转为尖端针状沉积；

6)维持反应炉温度至800～1200℃，反应炉内仅通入载气，去除成键不完全的碳纳米材料，保证纳米结构完整；

7)重复步骤5)、6)，继续优化纳米碳材料结构，直至材料达到设定的结构高度与尖端针状密度分布。

4.根据权利要求3所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，选择半导体、金属或陶瓷材料作为基材；在步骤2)中，所述衬底选用铜、铬、金、铁、钴、镍中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求3或4所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，将反应气体与载气的比例降低在1∶1～8的范围内。

6.根据权利要求5所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，将反应气体与载气的比例提高在1∶10～20的范围内。

7.根据权利要求3所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：所述物理清洗是指水气清洗和/或超声波清洗。

8.根据权利要求3所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：化学清洗是指酸洗和/或溶剂清洗。

9.根据权利要求3所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：在步骤3)、4)、5)、6)的沉积过程中全部加入或选择性加入掺杂元素，元素可为III、V族元素及金属元素。

10.根据权利要求3或9所述的具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法，其特征在于：在步骤7)完成后，在纳米碳材上覆盖一层纳米薄膜，薄膜组成为碱金属或碱土金属或碱金属化合物或碱土金属化合物。