[发明专利]一种利用类金刚石薄膜提高碳纳米管场发射性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用类金刚石薄膜(DLC)提高碳纳米管(CNT)场发射性能的方法。

背景技术

场致电子发射依靠外部施加电场抑制材料的表面势垒，当势垒降低、变窄到一定程度时，自由电子可以利用隧穿效应进入真空。这种电子发射方式由于不需要对阴极加热，也被称为冷阴极电子发射。相对于传统的热电子发射，冷阴极发射避免了对发射体的加热过程，无预热延迟，显著降低了阴极功耗。同时，场致发射冷阴极还具有发射电流密度大，电子能量分布集中，并且可以在相对较低的电压下工作等优点。常见的场致发射冷阴极材料包括CNT(CNT)、DLC(DLC)、石墨烯和其它一些表面功函数较小的材料。

自1991年日本NEC研究员S.Iijima首次通过扫描电镜发现CNT结构以来，由于其优异的电学和力学性能而备受关注。CNT导电性能优异，机械强度高，具有较高的比表面积，化学性能稳定，具有较小的电子亲和势，有很低的开启电压，特别是具有较高的长径比，因此非常有利于实现场致发射，制备场致发射冷阴极。DLC是由碳原子组成的一种非晶亚稳结构，主要是由一定比例的sp³和sp²杂化碳原子随机构成的空间网络结构，同时会含有一定量的氢原子。DLC最显著的特点是具有较低的电子亲和势，电子容易从其表面发射到真空，因而也是一种性能优异的冷阴极场发射材料。

目前，场致发射材料的研究仍存在许多问题，主要是如何获得高长径比材料，如何提高场发射材料的稳定性，以及如何进一步降低场发射阈值电压等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有场致发射材料存在的问题，提出一种利用DLC来降低CNT场发射的开启电压、提高阴极发射电流的方法，从而可有效提高其场致发射性能，且便于实际应用。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用DLC提高CNT场发射性能的方法，所述方法在CNT上覆盖DLC，从而提高CNT的场发射性能。

目前关于CNT的合成方法主要有以下几种：石墨电弧法、化学气相沉积法、激光蒸发法、热解聚合物法、原位合成法、离子辐射法等。作为优选，本发明采用化学气相沉积法生长具有较好直立性的CNT阵列。化学气相沉积法生长CNT的基本原理是利用在高温退火过程中铁、钴、镍、铜等催化剂团聚形成纳米尺度金属小球催化裂解乙炔、甲烷等碳源气体，同时催化剂吸收碳原子。催化剂饱和后析出的碳原子在高温下重新成键，生长成为CNT。

DLC的合成主要有以下几种方法：直接离子束沉积法、离子束辅助沉积技术、磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、等离子体增强化学气相沉积等方法。本发明采用的是利用磁控溅射技术形成DLC薄膜层作为优选。在磁控溅射法中，磁场的存在使电子的电离效率大幅提高，而且由于工作真空度较高，导致溅射原子被散射的几率减小，因而磁控溅射的沉积速率比其他溅射法高很多。磁控溅射的优点是薄膜的沉积速率高，工作真空高，因而污染小，成膜质量高，是目前应用最广泛的一种溅射沉积方法。

本发明涉及的CNT和DLC的生长方法可以采用上述对应方法中的任意一种。

本发明涉及到的CNT和DLC的生长过程基本包括：基底准备、CNT生长、DLC沉积三部分，实现在CNT上覆盖DLC，从而提高CNT的场发射性能。

优选地，一种利用DLC提高CNT场发射性能的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)基底准备：将目标基片除杂，在目标基片表面依次蒸镀导电粘合层、隔离金属层和催化剂层，得到CNT的生长基底；

(2)CNT生长：将生长基底置于密闭加热系统中，抽真空后通入氢气，使得系统压强保持在1～30mbar，升温至550～750℃，通入乙炔进行CNT生长，系统稳定后取出；

(3)DLC沉积：将生长CNT后的样品放置在磁控溅射仪器中，以石墨为溅射靶材，系统抽真空后通入氩气，进行磁控溅射生长DLC。

步骤(1)所述目标基片为硅片、不锈钢片或铜片。

优选地，利用电子束光刻技术、紫外光刻技术或纳米压印光刻技术，在除杂后的目标基片表面制作图形化阵列后利用电子束蒸镀技术进行蒸镀。

步骤(1)所述导电粘合层的厚度为20～150nm，例如可选择20.02～148nm，28～135nm，40～120nm，55～104nm，80～96nm等。

所述隔离金属层的厚度为5～30nm，例如可选择5.1～29.6nm，6～24nm，7.6～22nm，10～18.4nm，12～16nm，14nm等。