[发明专利]一种定向生长的网格状高性能碳纳米管场发射阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射元件及基制备方法，尤其是场发射阴极的制备方法。

背景技术

碳纳米管是目前场发射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研机构都在积极努力，以实现碳纳米管在场发射器件中的实际应用和产业化。在目前的碳纳米管及其相关的研究领域中，新的结构、材料和工艺方法依然在不断的探索中。然而另一方面，已有的发射材料、器件结构均已达到数十种之多。对于这些纳米管材料冷阴极的工作机理的探索、对于已有器件结构的潜在性能的充分发掘和利用，依然是非常重要的研究内容。

 在大电流密度场发射器件（例如冷阴极X射线管和微波放大器）的制备中，对于碳纳米管发射阴极阵列的分布均匀性和取向性要求较高，而定向碳纳米管阵列阴极因取向性好，场发射性能优异具有很大的应用潜力。然而，对于碳纳米管阵列的研究至今没有使其得到广泛的实际应用，仍有许多不足之处需要探讨和改进，同时其电子发射能力与阵列结构、种类、形貌等因素的关系仍需得到进一步明确。

直接在衬底上生长的碳纳米管薄膜阵列与衬底接触牢固，易于获得良好的取向性。通过光刻、荫罩掩膜（Shadow Mask）、电子束刻蚀等方法得到催化剂的图形，再采用TCVD或者PECVD方法生长，碳纳米管只在有催化剂的部位长出，可以得到非常整齐均匀的碳纳米管阵列[44]。目前，由于成本较低，适用衬底范围广，因此多采用热气象化学沉积法制备定向碳纳米管阵列。

然而，前期文献报道的采用热气象化学沉积法制备的碳纳米管阵列中图案单元的的直径大约在几十微米左右。由于碳纳米管阵列的场发射主要集中在边缘，因此如果碳纳米管阵列中，图案单元的面积太大，就造成了面积的浪费。而如果将单元直径减至几微米，那么将造成碳纳米管取向性极具恶化。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中的不足，提出一种定向生长的网格状高性能碳纳米管场发射阵列。尤其是提高小尺寸碳纳米管阵列的结构稳定性，以及增强碳纳米管阵列的边缘效应，并以此降低开启电场和阈值电场，提高发射电流密度。

本发明的技术方案是：一种定向生长的网格状高性能碳纳米管场发射阵列，包括，导电基底、生长在基底上的网格状定向碳纳米管阵列。其特征为：碳纳米管阵列成网格状分布，是一个整体结构。

导电基底可以为重掺杂的硅、覆盖有金属电极的玻璃基片、金属基片等。

定向碳纳米管阵列模板的生长方法可以为热气象化学沉积、等离子增强的气象化学沉积等。

其网格形状可以为正方形、圆形、六边形等等。碳纳米管阵列高度为100nm-2μm。

这种阵列的优点是边缘效应更强，结构更加稳定、绝对垂直取向。

本发明的有益效果是：提高小尺寸碳纳米管阵列的结构稳定性，以及增强碳纳米管阵列的边缘效应，并以此降低开启电场和阈值电场，提高发射电流密度。适用于对电流发射性能要求较高的场发射器件，例如，X射线源、微波放大器、场发射扫描电子显微镜等中的电子源。

附图说明

图1为制备出的六边形网格状碳纳米管阵列。 

图2为制备出的正方形网格状碳纳米管阵列。

图3为制备出的圆形网格状碳纳米管阵列。

具体实施方案

通过结合附图详细说明本发明的实施方案，本发明的上述工作原理和优点将变得更加清楚，如各附图所示。

本发明的所描述的碳纳米管阴极的结构如图1所示，碳纳米管阵列具有一定的高度，且成网格状分布，是一个整体。这种结构相比离散的碳纳米管阵列，具有结构稳定的优点，且更易实现较大的边缘效应。

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明所保护的范围不限于下述的实施例。

实施例，高性能网格装碳纳米管阵列的制备过程如下： 

（1）首先，选用重掺杂的硅片作为衬底，将硅片分别在丙酮（acetone）和异丙醇（IPA）中清洗两分钟，去除表面有机物和其他杂质，烘烤至180℃保持两分钟以去除表面的水分。

（2）接着在表面旋涂（spin-coat）一层电子束光刻胶，在180℃温度下坚膜90秒。

（3）将光刻胶光刻出网格状的图案，经过显影，就制备出了具有图案的光刻胶掩膜。

（4）然后通过磁控溅射的方法在样品的表面溅射催化剂薄膜，这里的催化剂是由两层薄膜组成的，下面一层是Al薄膜，厚度10nm，上面是Fe薄膜，厚度1nm。