[发明专利]SiC柔性场发射阴极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种SiC柔性场发射阴极材料的制备方法，属材料制备技术领域。

背景技术

柔性电子器件在电子织物、分布式传感器、纸上显示器以及建筑物表面的大型弯曲显示等领域具有广泛的发展前景。因而，利用纳米半导体组元构建兼具机械柔性和优越性能的功能柔性系统，是当前国内外活跃的研究热点之一。自纳米碳管被发现以来，低维纳米材料的制备科学及其器件应用一直是纳米科技中的研究重点和热点，已成为研究材料的电学、热学和力学性能与维度和量子限制效应相关性的一种有效研究系统，作为连接和功能单元在微纳器件中将发挥越来越重要的作用，有望为新颖高效的光电器件取得重大突破提供契机。

场发射是低维纳米材料的固有特性之一。大量研究结果表明，纳米结构具有传统材料所不具备的优异场发射性能，在显示等光电器件领域具有巨大的潜在应用前景。然而，基于低维纳米结构的场发射阴极材料得以真正应用还有赖于其性能的进一步改善和提高，比如获得更低的开启和阈值电场等。

SiC是继第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料之后发展起来的第三代半导体材料。与其传统体材料相比，低维SiC纳米结构具有优异的物理和化学性能，比如高的禁带宽度、高的热导率和电子饱和迁移率、小的介电常数和较好的机械性能等特性，在用作场发射阴极材料等领域有着广泛的应用前景，近十年来颇受关注。1999年，Wong等人首次报道了SiC纳米线的电子发射特性，结果表明其开启电场很低，约为20V/μm，阈值电场约为30V/μm，且具有很高的电子发射稳定性。随后，国内外大量的工作报道了不同形貌的SiC低维纳米结构的场发射特性，如SiC纳米线的开启电场为3.33-10.1V/μm，SiC纳米带的开启电场为3.2V/μm，SiC纳米棒的开启电场为13-27V/μm，SiC/Si纳米异质结构的开启电场为2.6V/μm，SiC/SiO₂纳米电缆的开启电场为3.3～4.5V/μm，阵列化SiC纳米线的开启电场为0.7-1.5V/μm，阈值电场为2.7V/μm。这些研究结果表明，SiC低维纳米材料具有优异的电子发射能力，被认为是场发射阴极材料的优异候选材料。

然而，已有研究工作主要集中在基于硬性衬底上(如Si片和金属片等)的SiC场发射阴极材料，其柔性场发射阴极材料的研发鲜有文献报道。本发明通过有机前驱体热解法，以碳布为柔性衬底，实现了柔性SiC准定向生长的纳米线阵列结构的制备，进而实现SiC柔性场发射阴极材料的制备。场发射性能检测结果表明，所制备的SiC柔性场发射阴极材料具有优异的电子发射特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备SiC柔性场发射阴极材料的方法。本发明方法能够实现SiC纳米线在碳布衬底上的准定向生长，进而实现SiC柔性场发射阴极材料的制备。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该制备SiC柔性场发射阴极材料的方法，包括以下具体步骤：

1)有机前驱体热交联固化和粉碎；

2)碳布浸渍在一定浓度的催化剂乙醇溶液中，并超声处理10s，取出后自然晾干备用；

3)将粉碎得到的粉末置于石墨坩埚中，并将经浸渍处理的碳布衬底放置在坩埚顶部；

4)将石墨坩埚及衬底一起置于气氛烧结炉中，在氮氩混合气的气氛保护下加热至一定温度；

5)随炉冷却至室温，实现以碳布为衬底的柔性SiC准定向纳米阵列的制备。

6)将SiC准定向纳米阵列结构用作场发射阴极材料进行场发射性能检测和分析。

所述步骤(1)中，使用的原料为聚硅氮烷，亦可使用其他含Si和C元素的有机前驱体。

所述步骤(2)中，采用碳布作为柔性衬底，采用0.05mol/L Co(NO₃)₂的乙醇溶液浸渍碳布引入催化剂，亦可采用其他浓度的催化剂溶液浸渍碳布实现催化剂的引入。

所述步骤(4)中，所采用的烧结设备为石墨电阻气氛烧结炉，热解温度为1500～1550℃，所采用的保护气氛为N₂∶Ar＝5∶95的混合气(体积比)，纯度为99.99％，亦可采用其他的气氛烧结炉和其他不同成分比的氮氩混合气作保护气氛。

所述步骤(6)中，场发射性能测试中，阴极为SiC柔性准定向纳米阵列，阳极为不锈钢，场发射测试仪器的真空度为3×10^-7Pa，场发射测试在室温下进行，阴、阳极距离设置为400～800μm，电压-电流曲线由Keithley248高压电源测定。