[发明专利]碳纳米管复合薄膜场发射阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管场发射阴极制备领域，尤其涉及一种碳纳米管复合薄膜场发射阴极的制备方法。

背景技术

碳纳米管具有高长径比的准一维结构、优良的机械性能和化学稳定性，是取代硅尖、钨尖和钼尖成为制作场发射阴极的理想材料。然而，由于碳纳米管表面与金属或树脂等基质的浸润性差、结合力弱，使制作在基体上的碳纳米管薄膜阴极与基体的粘附力小、接触电阻大，从而增加整个电子发射回路的热消耗，以及电子发射的不稳定性。这些缺点抑制了碳纳米管自身优越的场致发射性能，影响了碳纳米管在场发射领域上的应用前景。

目前制作碳纳米管薄膜场发射阴极的方法主要分为两类：原位直接生长法和移植法。原位直接生长法主要采用化学气相沉积（CVD）在镀有催化剂的基体上直接生长碳纳米管，该法成本较高，特别是制作大面积的阴极薄膜成本更高。移植法是将碳纳米管经过纯化、剪切等处理后，均匀分散在媒介材料中，然后通过丝网印刷、电泳、喷涂、旋涂、滴涂、浸拉或自组装的方法在基体电极上形成碳纳米管薄膜，通常合适的后处理工艺用以使碳纳米管发射尖端露出薄膜表面以提高场发射性能。这些方法成本较低，易于大面积制备。然而，这些方法也存在一些问题，如碳纳米管和电极之间的粘附力差、接触电阻大等。为解决这些问题，纳米颗粒填充法、高温真空退火法、金属和碳纳米管/碳纤维复合电镀法、电泳法沉积表面化学镀金属的碳纳米管等方法被用来制作碳纳米管薄膜阴极。比较有效的纳米颗粒填充法有金属粉末合金法、浆料掺银法和浆料掺玻璃粉法，即在碳纳米管分散的媒介物质中加入这些纳米颗粒，转移成膜后通过气氛烧结或真空烧结等方式使纳米颗粒熔化，使碳纳米管部分埋入熔化后形成的薄膜中，增强了碳纳米管和电极之间的粘附力。因掺混纳米颗粒的导电性能不同，掺混碳纳米管薄膜阴极的增强机制和场发射性能也各有不同。采用金属和碳纳米管/碳纤维复合电镀法以及电泳法沉积表面化学镀金属的碳纳米管的方法也是使碳纳米管埋入金属膜中，这种埋入一定程度上增加了碳纳米管和电极之间的粘附力和电接触。然而，这几种方法由于碳纳米管表面和多数金属表面浸润性差、碳纳米管-金属之间形成的是肖特基势垒，而非欧姆接触，限制了场发射性能的进一步提高。高温真空退火法是采用Ti作为碳纳米管的电极，在高温下形成TiC中间层，从而使碳纳米管-金属之间形成欧姆接触，但这种方法需要800°C以上的高温，对基体材料提出了很高的要求，不适合多数低温应用，而且这种方法形成的接触面积小，也限制了发射的电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管复合薄膜场发射阴极的制备方法，该方法制备的碳纳米管复合薄膜场发射阴极结构增强了碳纳米管发射体与基体粘附力和电接触、改善场发射性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种碳纳米管复合薄膜场发射阴极的制备方法，该方法包括：

S1、制备碳纳米管/TiC/Ti复合材料；

S2、将碳纳米管/TiC/Ti复合材料和纳米填充颗粒按质量比5：1-1：5混合，混合物加入到有机溶剂中，并采用超声进行分散，形成第一浆料；

S3、在导电电极上移植第一浆料，形成碳纳米管复合薄膜；

S4、在200°C-600°C的温度下，将碳纳米管复合薄膜放入烧结炉进行真空烧结或还原气氛烧结，其中，烧结时间在15分钟以上；

S5、利用腐蚀剂腐蚀除去碳纳米管复合薄膜烧结后表面的Ti，露出碳纳米管/TiC发射尖端，并形成碳纳米管复合薄膜场发射阴极。

优选的，所述S1中制备碳纳米管/TiC/Ti复合材料方法如下：将质量比为1:1:10-10:1:50的碳纳米管、TiCl₃和TiH₂的混合粉末放入密封腔体，对密封腔体抽真空后加热10分钟至2小时，混合粉末挥发并发生化学反应1小时后，降低密封腔体温度至室温，得到反应产物，采用有机溶剂对反应产物进行清洗，得到碳纳米管/TiC/Ti复合材料，其中，抽真空度为10^-2Pa以下，加热温度为600°C-750°C。

优选的，所述碳纳米管长度为1-50μm，直径为0.4nm-100nm；所述TiH₂粒径在30-60μm。

优选的，所述S2中，纳米填充颗粒包含纳米介电颗粒和纳米金属颗粒，所述纳米介电颗粒为粒径300nm-3μm的玻璃颗粒，所述纳米金属颗粒为纳米银颗粒。

优选的，所述S2中，纳米填充颗粒为纳米银粉和玻璃粉，碳纳米管/TiC/Ti、纳米银粉和玻璃粉的质量比为1：1：1。

优选的，所述S3中导电电极为银电极。