[发明专利]一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极及制备方法

说明书

本发明提供了一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极及制备方法，所述基于石墨烯/超材料复合纳米结构包括图案化的垂直碳纳米管阵列或图案化的微尖阵列以及与之复合的石墨烯材料。本发明通过将新型二维材料与图案化碳纳米管、微尖阵列等超材料结构相结合，能够有效地避免阴极表面的静电屏蔽效应，充分地利用边缘效应压缩阴极表面势垒，降低电子发射所需能量的阈值；顶端的石墨烯材料能够实现对发射电子的预聚焦作用，增强发射极顶端的电场强度，从而提高场发射阴极的发射效率和电流密度。具有体积小、响应快、电流密度大、环境耐受以及微加工技术兼容等优势，在高亮度、相干电子源领域有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种将石墨烯和碳纳米管或者金属微尖阵列等超材料结构相结合的新型纳米场发射阴极及其制备工艺方法，主要是利用超材料结构优异的电子发射能力和石墨烯预聚焦的特性，应用于电子源，属于真空纳米电子器件领域。

背景技术

场致电子发射是在物体表面施加一个很强的电场降低表面势垒且加速电子，使电子更易跃迁出阴极表面。场致发射阴极具有启动快、能耗低、寿命长和易于紧凑型设计等特点。因此，场致发射阴极在高亮度、相干性好的电子源领域具有重要的应用前景。传统场致发射阴极的阴极材料一般采用低功函数碱金属材料或者具有负电子亲和势的III-V族半导体材料，但是在制备、存储和使用过程中对环境的洁净度要求非常高，需要超高的真空环境，使用过程中很容易被污染且寿命也不长，所以这种场发射阴极的实验难度和使用成本很高。

随着微纳加工工艺的发展进步，场发射阴极材料与结构也呈现出多样化，也更易于实现紧凑型和集成化的设计。超材料是一种由亚波长周期微纳结构构成，具有自然界材料所不具备的超常物理特性的人造电磁材料。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，例如高接收率天线，雷达反射罩、地震预警及电子束蒸发源等。

超材料电子源与传统场发射阴极阵列不同，其特征尺寸更小，对结构的周期性、均一性也提出了更高的要求，这就需要掌握更高精度的图案化与刻蚀工艺。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极及制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极，包括基底材料,在所述的基底材料上设置有图案化的垂直碳纳米管阵列或图案化的微尖阵列以及与之复合的石墨烯材料。

作为本发明的一种改进，所述图案化的形状结构包括矩形、锥形或圆型组成的周期性有序图案化结构；所述图案化的尺寸为0.1-1 mm，占空比为0.1-0.5。

作为本发明的一种改进，所述的图案化的垂直碳纳米管阵列生长在图案化的催化层上。

作为本发明的一种改进，所述图案化的催化层包括第一金属镀层和位于该第一金属镀层上的第二金属镀层；所述第一金属镀层包括铝，所述第一金属镀层的厚度为10-20nm；所述第二金属镀层包括铁，所述第二金属镀层的厚度为5-10 nm。

作为本发明的一种改进，所述的图案化的微尖阵列包括金属材料以及半导体材料；所述石墨烯材料的尺寸为1-1.5 cm2。

本发明还公开了一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极，当基底材料上设置的为图案化的垂直碳纳米管阵列时，包括以下步骤：

（1）在基底材料上旋涂光刻胶并图案化；

（2）溅射催化层，并去除多余的光刻胶，以得到图案化的催化层结构；

（3）用湿法转移石墨烯至图案化的催化层上；