專利名稱：一種定向碳納米管陣列模板上的氧化鋅納米線發(fā)射體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種場(chǎng)發(fā)射元件。
背景技術(shù)：
將納米氧化鋅材料用于場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域也就是本世紀(jì)初開始，得益于研究人員不斷的嘗試新型材料合成和應(yīng)用。在氧化鋅應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射之 前，諸如氮化鎵，氮化鋁等很多寬禁帶半導(dǎo)體材料均被嘗試用于場(chǎng)發(fā)射，但由于各種問題而沒有被廣泛采用。直到數(shù)年前，一些研究人員將目光轉(zhuǎn)向各種結(jié)構(gòu)的氧化鋅材料，大量的研究投入到各種氧化鋅結(jié)構(gòu)的制備方法和場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)上來，使得氧化鋅成為繼碳納米管后又一個(gè)場(chǎng)發(fā)射材料研究的熱點(diǎn)。C. J. Lee等人于2002年報(bào)道了在低溫的情況下(550°C)在硅襯底上通過氣相沉積的方式制備取向性很高的氧化鋅納米線(nanowire)陣列[Appl. Phys. Lett. , 2002.81,3648-3650]，并對(duì)制備得到的氧化鋅陣列做場(chǎng)發(fā)射測(cè)試得到eV/ym的開啟場(chǎng)強(qiáng)(電流密度設(shè)為0. liiA/cm2)，而閾值場(chǎng)強(qiáng)則需要llV/ym (電流密度為lmA/cm2)。為了從幾何結(jié)構(gòu)上增加氧化鋅發(fā)射體的場(chǎng)增強(qiáng)因子，Y. ff. Zhu等人將氧化鋅納米線或棒的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為針狀結(jié)構(gòu)(nanoneedle) [Appl. Phys. Lett. , 2003. 83,144-146],即細(xì)長(zhǎng)的大頭針形狀，頂端較細(xì)，這樣的結(jié)構(gòu)大幅度的增加了發(fā)射體頂端的場(chǎng)增強(qiáng)因子，將開啟場(chǎng)強(qiáng)一度降到了 2. 4V/um0Q. Wang等人首次報(bào)道了四針狀氧化鋅納米結(jié)構(gòu)(tetrapod_likenanostructure) [Appl. Phys. Lett. , 2006. 88，153123-153125.],這種結(jié)構(gòu)的發(fā)射體頂端類似于以上提及的納米針結(jié)構(gòu)，但是由四針組成的整體結(jié)構(gòu)則非常迎合大面積印刷的要求，因?yàn)榻?jīng)過印刷漿料的制備和印刷處理后，四針狀氧化鋅結(jié)構(gòu)總能使底下三腳架結(jié)構(gòu)支撐于襯底上，有一只腳豎直向上，構(gòu)成很大的頂端場(chǎng)增強(qiáng)因素。此后，四針狀氧化鋅結(jié)構(gòu)在絲網(wǎng)印刷型冷陰極被大量采用。與其它納米結(jié)構(gòu)材料相比，以碳納米管作為基底的異質(zhì)結(jié)由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能被廣泛關(guān)注；另一方面，氧化鋅納米結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)類似于碳納米管而展現(xiàn)出優(yōu)異的光電子性能，氧化鋅納米結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)良的性能目前也已成為研究熱點(diǎn)。然而上述兩種材料都有自身的缺點(diǎn)，碳納米管由于是碳基材料，容易和氧氣發(fā)生反應(yīng)而被破壞，因此用其作場(chǎng)發(fā)射體對(duì)真空度要求很高；氧化鋅本身是氧化物，它可以克服上述碳納米管的缺點(diǎn)，然而由于氧化鋅是半導(dǎo)體，導(dǎo)電性相比碳納米管要差，因此大部分氧化鋅發(fā)射體的場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度要比碳納米管差。鑒于碳納米管和氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的在場(chǎng)發(fā)射特性方面有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，一些科研人員展開了這兩種材料復(fù)合式陰極材料的研究，取得了令人矚目的成果。Ren等人[Appl. Phys. Lett. , 2004. 85，1407-1409]報(bào)道了生長(zhǎng)在碳纖維上氧化鋅納米線，其開啟場(chǎng)強(qiáng)僅為0. 7V/um0將碳納米管良好的電子傳導(dǎo)特性和氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)的均一取向性結(jié)合，大大改善了復(fù)合式陰極的性質(zhì)。以上這些成果初步證明了氧化鋅/碳納米管復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射性能是優(yōu)于單純的碳納米管或者氧化鋅發(fā)射體。由于氧化鋅/碳納米管復(fù)合納米材料具有新穎結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的穩(wěn)定化學(xué)性能，其復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射性能也越來越引起人們的重視。其復(fù)合式結(jié)構(gòu)可以分為三種類型一、將不同氧化鋅結(jié)構(gòu)直接生長(zhǎng)于碳納米管壁；二、將碳納米管直接生長(zhǎng)于氧化鋅結(jié)構(gòu)；三、通過絲網(wǎng)印刷的工藝制備混合式結(jié)構(gòu)。但是，前期的研究主要是在隨機(jī)取向的碳納米管(或碳納米纖維)薄膜上生長(zhǎng)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，而碳基薄膜取向的隨機(jī)性將會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)發(fā)射體形貌、尺寸的均勻性差，從而導(dǎo)致發(fā)射電流小、穩(wěn)定性差、壽命短等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種在定向碳納米管陣列模板上生長(zhǎng)的氧化鋅納米線發(fā)射體。鑒于氧化鋅納米線是半導(dǎo)體，具有一定的電阻，可以起到限流電阻的作用，本實(shí)用新型提出的一種氧化鋅納米線和碳納米管陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以使該復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的電流發(fā)射更加均勻，進(jìn)而提高發(fā)射電流密度和穩(wěn)定性。本實(shí)用新型適用于對(duì)電流發(fā)射穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)發(fā)射器件，例如，X射線源、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等中的電子源。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是定向碳納米管陣列模板上的氧化鋅納米線發(fā)射體，包括導(dǎo)電基底、在導(dǎo)電基底上的定向碳納米管陣列模板，在定向碳納米管陣列模板的表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線發(fā)射體；氧化鋅納米線發(fā)射體的長(zhǎng)度為lOOnm^ym。生長(zhǎng)定向碳納米管陣列模板導(dǎo)電基底可以為重?fù)诫s的娃、覆蓋有金屬電極的玻璃基片、金屬基片等。定向碳納米管陣列模板的生長(zhǎng)方法可以為熱氣相化學(xué)沉積、等離子增強(qiáng)的氣相化學(xué)沉積等。氧化鋅納米線的生長(zhǎng)方法可以為水溶液法、化學(xué)氣相轉(zhuǎn)移法、化學(xué)氣相沉積法等。生長(zhǎng)在定向碳納米管陣列模板上的的氧化鋅納米線發(fā)射體的制備方法本實(shí)用新型由以下步驟實(shí)現(xiàn)主要是在碳納米管模板上制備氧化鋅納米線。水溶液法將生長(zhǎng)氧化鋅納米線的催化劑溶液旋涂到碳納米管薄膜陣列的表面，并干燥；配制生長(zhǎng)溶液，將等量摩爾數(shù)的六水硝酸鋅和六亞甲基四胺(hexamethylenetetramine)溶解在去離子水中，僅過攪拌超聲震蕩,使其充分溶解；將旋涂好催化劑的碳納米管薄膜陣列浸入生長(zhǎng)溶液中，置入真空爐中，加熱到80±10°C。經(jīng)過2±1個(gè)小時(shí)的生長(zhǎng)時(shí)間取出，用去離子水清洗，然后烘干得到制備好的氧化鋅納米線/定向碳納米管陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)電基板上定向碳納米管陣列模板亦可以采用效率更高的工藝。鑒于氧化鋅納米線是半導(dǎo)體，具有一定的電阻，可以起到限流電阻的作用。本實(shí)用新型的有益效果是提出的一種氧化鋅納米線和碳納米管陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以使該復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的電流發(fā)射更加均勻，進(jìn)而提高發(fā)射電流密度和穩(wěn)定性。本實(shí)用新型適用于對(duì)電流發(fā)射穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)發(fā)射器件，例如，X射線源、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等中的電子源。尤其是采用水溶液法的氧化鋅納米線和碳納米管陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定，工作壽命完全達(dá)到實(shí)用的要求。
圖I為定向碳納米管陣列模板。圖2為在碳納米管模板上 的生長(zhǎng)的氧化鋅納米線發(fā)射體。
具體實(shí)施方案下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例做詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例，在定向碳納米管陣列模板上生長(zhǎng)的氧化鋅納米線的制備過程如下(I)首先，選用重?fù)诫s的硅片作為襯底，將硅片分別在丙酮(acetone)和異丙醇(IPA)中清洗兩分鐘，去除表面有機(jī)物和其他雜質(zhì)，烘烤至180°C保持兩分鐘以去除表面的水分。(2)接著在表面旋涂(spin-coat)—層電子束光刻膠,在180°C溫度下堅(jiān)膜90秒。(3)將光刻膠光刻出所需要的圖案，經(jīng)過顯影，就制備出了具有圖案的光刻膠掩膜。(4)然后通過磁控濺射的方法在樣品的表面濺射催化劑薄膜，這里的催化劑是由兩層薄膜組成的，下面一層是Al薄膜，厚度10nm，上面是Fe薄膜，厚度lnm。(5)剝離，將樣品浸入丙酮中，沒有被曝光的光刻膠就被丙酮溶解，光刻膠表面的催化劑層自動(dòng)脫落。這樣一來，樣品表面就只剩下了具有圖案的催化劑薄膜。(6)然后采用熱氣相化學(xué)沉積法生長(zhǎng)定向碳納米管，就可以制備出具有圖案的碳納米管薄膜陣列。(7)然后制備生長(zhǎng)氧化鋅納米線所需的催化劑溶液，將11 mg醋酸鋅晶體溶解到5mL正炳醇(1-propanol)中，超聲震蕩2小時(shí)使其充分溶解。(8)然后將此溶液旋涂到碳納米管薄膜陣列的表面，然后烘烤至120°C并保持兩分鐘。根據(jù)所需要的氧化鋅納米線的密度，來控制旋涂的次數(shù)，旋涂次數(shù)越多，生長(zhǎng)出來的氧化鋅的密度越大。(9)配制生長(zhǎng)溶液，將等量摩爾數(shù)的六水硝酸鋅(Zn (N03)2 6H20)和六亞甲基四胺(hexamethylenetetramine)溶解在去離子水中,僅過攪拌超聲震蕩,使其充分溶解。(10)最后，將旋涂好催化劑的碳納米管薄膜陣列浸入生長(zhǎng)溶液中，置入真空爐中，加熱到80°C。經(jīng)過2個(gè)小時(shí)的生長(zhǎng)時(shí)間取出，用去離子水清洗，然后烘干至120°C去除水分。最后可以得到制備好的氧化鋅納米線/定向碳納米管陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種定向碳納米管陣列模板上的氧化鋅納米線發(fā)射體，包括導(dǎo)電基底、生長(zhǎng)在導(dǎo)電基底上的定向碳納米管陣列模板，其特征是在定向碳納米管陣列模板的表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線發(fā)射體，氧化鋅納米線發(fā)射體的長(zhǎng)度為100nm-2 u m。
專利摘要一種定向碳納米管陣列模板上的氧化鋅納米線發(fā)射體，包括導(dǎo)電基底、生長(zhǎng)在導(dǎo)電基底上的定向碳納米管陣列模板，在定向碳納米管陣列模板的表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線發(fā)射體，氧化鋅納米線發(fā)射體的長(zhǎng)度為100nm-2μm。定向碳納米管陣列模板的生長(zhǎng)方法可以為熱氣相化學(xué)沉積、等離子增強(qiáng)的氣相化學(xué)沉積等?？梢允乖搹?fù)合結(jié)構(gòu)陣列的電流發(fā)射更加均勻，進(jìn)而提高發(fā)射電流密度和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01J1/304GK202473819SQ20112028408
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月7日
發(fā)明者張研, 李馳 申請(qǐng)人:張研, 李馳