專利名稱：一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅納米線和納米尖錐的制備方法，屬于納米材料制作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬納米線和納米尖錐材料在場(chǎng)發(fā)射冷陰極方面有重要的應(yīng)用。人們?cè)缙谝话悴捎脝胃慕饘羸Q尖錐來(lái)制作冷陰極[E. ff. Miiller, Ergeb. Exakt. Naturwiss27,290(1953).]。到1968年，Spindt等人采用微加工的方法制作出鑰尖錐陣列的冷陰極[C. Spindt，J. Appl. Phys. 39,3504(1968)]。而近年來(lái)，也有研究者報(bào)道采用自組織生長(zhǎng)的方法制備金屬鶴或金屬鑰的納米線冷陰極[Chao Wang, Yuehui He, ShiliangWang, Quan Zhang, Xinli Liu, J. Cryst. Growth 338:214 - 217 (2012) ;J. Zhou, S.Z. Deng, LGong, Y. Ding, J. Chen, J. X. Huang, Jun Chen, N. S. Xu, Z. L. Wang, J. Phys. Chem.BllO (21) : 10296-10302 (2006)]。選用金屬鎢或鑰的原因是由于它們具有較高的熔點(diǎn)，因而 能夠承受更高的發(fā)射電流。實(shí)際上，在材料選擇上，除了熔點(diǎn)高，另外可以考慮的候選材料包括電導(dǎo)率高和導(dǎo)熱率高的材料，這類材料由于電阻小，電流通過(guò)時(shí)不容易發(fā)熱，而且導(dǎo)熱較快，因而在發(fā)射時(shí)其溫度較低，可以耐受更高的溫度，從而實(shí)現(xiàn)高電流發(fā)射。銅是一種同時(shí)具備高電導(dǎo)率和高導(dǎo)熱率的材料，因而如果能夠形成納米線或者納米尖錐，就可以作為一種高發(fā)射電流的冷陰極。本發(fā)明提出了一種利用氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜作掩膜，通過(guò)離子轟擊制作銅納米線和納米尖錐的方法，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種利用氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜作掩膜，通過(guò)離子轟擊的方法得到銅納米線或納米尖錐的方法，以及所制作的銅納米線和納米尖錐在高發(fā)射電流的冷陰極上的應(yīng)用。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的制備方法按照以下步驟進(jìn)行(1)清洗銅襯底，除去襯底上的雜質(zhì)；(2)在有氧氣的氣體氣氛下加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時(shí)，然后自然降溫，以使銅襯底表面形成一層氧化銅層或氧化銅納米線；(3)將上述樣品放入真空腔中，用氬離子轟擊，以在襯底上形成銅納米線或銅納米尖錐陣列。本發(fā)明所述的襯底可以采用單晶銅，多晶銅，也可以采用鍍有銅薄膜的硅片、玻璃或金屬片。本發(fā)明所述的IS離子轟擊時(shí)的能量為IOOeV至 IOOOeV,轟擊時(shí)間為Imin至120mino本發(fā)明所述的離子轟擊時(shí)的離子源為考夫曼離子源、微波ECR離子源或RF離子源。本發(fā)明制備的銅納米線或納米尖錐陣列可以應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射冷陰極，也可以應(yīng)用于鋰電池、超級(jí)電容等其它需要該種銅納米結(jié)構(gòu)的光電器件中。
本發(fā)明所述的制備銅納米線和納米尖錐的方法無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的微加工工藝，制作方法簡(jiǎn)便，且可以通過(guò)控制轟擊時(shí)間、離子能量等參數(shù)有效的調(diào)控樣品的形貌，可控性好。


圖I采用離子轟擊制作銅納米線和納米尖錐的工藝步驟示意圖。圖2氧化后的銅片的表面形貌SEM圖。圖3采用離子轟擊制作的銅納米線陣列的SEM圖。圖4采用離子轟擊制作的銅納米尖錐陣列的SEM圖。圖5銅納米尖錐陣列的場(chǎng)發(fā)射電流密度一電壓特性曲線。 圖中符號(hào)說(shuō)明1.銅襯底；2.氧化銅層和氧化銅納米線薄膜；3.氬離子；4.氬離子源;5.銅納米線；6.銅納米尖錐。
具體實(shí)施例方式為了更清楚地給出上述的通過(guò)離子轟擊的方法制作銅納米線和納米尖錐的方法，圖I給出了以銅片為襯底制備銅納米線和納米尖錐的步驟。首先清洗銅片襯底(圖I (a))，采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗15分鐘，使用氮?dú)獯蹈?。將銅襯底放入管式爐或箱式電爐，通入氧氣或空氣，加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時(shí)，最后自然降溫。經(jīng)過(guò)上述熱氧化過(guò)程后，銅襯底表面會(huì)形成一層氧化銅層或氧化銅納米線，如圖I (b)所示。將生長(zhǎng)有氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空腔室中，使用離子源產(chǎn)生氬離子，轟擊樣品，如圖I (c)所示。氬離子的能量為100eV 1000eV,轟擊時(shí)間為Imin至120min。當(dāng)轟擊的時(shí)間較短或能量較低時(shí),形成銅納米線，如圖I (d)所示。當(dāng)轟擊的時(shí)間較長(zhǎng)或能量較高時(shí)，可以形成銅納米尖錐，如圖I (e)所示。實(shí)施例I本實(shí)施例給出在銅片上制備銅納米線陣列的過(guò)程。首先用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗銅片15分鐘，使用氮?dú)獯蹈?。將清洗干凈的銅片放入管式爐中，升高溫度至400°C，保溫3小時(shí)，然后自然冷卻。氧化后的銅片的表面形貌如圖2所示，可以看到銅片上生長(zhǎng)出氧化銅納米線薄膜。將生長(zhǎng)有氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空室中，用考夫曼離子源產(chǎn)生氬離子轟擊樣品，氬離子能量為700eV，轟擊時(shí)間為lOmin。附圖3給出轟擊后生成的銅納米線陣列的SEM圖，可以看到在銅片襯底上形成了納米線陣列，納米線的平均高度約為I. 5pm，直徑約為82nm。實(shí)施例2本實(shí)施例給出在銅片上制備銅納米尖錐陣列的過(guò)程。首先用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗銅片15分鐘，使用氮?dú)獯蹈伞⑶逑锤蓛舻你~片放入管式爐中，升高溫度至400 0C，保溫3小時(shí)，然后自然冷卻。將生長(zhǎng)有氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空室中，用考夫曼離子源產(chǎn)生氬離子轟擊樣品，IS離子能量為700eV,轟擊時(shí)間為60min。用SEM表征制備的樣品，可以發(fā)現(xiàn)表面生成了銅納米尖錐。附圖4給出銅納米尖錐陣列的SEM圖。所形成的銅尖錐的高度約為4.4 iim，頂端的直徑約為500nm，密度約為7X10lcl/m2。采用二極結(jié)構(gòu)測(cè)量轟擊所形成的銅尖錐陣列的場(chǎng)發(fā)射特性，所得的電流密度一電壓特性曲線如附圖5所示。定義獲得lOmA/cm2的電流密度對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)為場(chǎng)發(fā)射閾值電場(chǎng)， 可以得到銅尖錐陣列的閾值電場(chǎng)為15. 6MV/m，其所能達(dá)到的最大電流密度51mA/cm2。
權(quán)利要求
1.一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行 (1)清洗銅襯底，除去襯底上的雜質(zhì)； (2)在有氧氣的氣體氣氛下加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時(shí)，然后自然降溫，以使銅襯底表面形成一層氧化銅層或氧化銅納米線； (3)將上述樣品放入真空腔中，用氬離子轟擊，以在襯底上形成銅納米線或銅納米尖錐陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述襯底是單晶銅，多晶銅，或鍍有銅薄膜的硅片、玻璃或金屬片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述氬離子轟擊的能量為IOOeV至 IOOOeV,轟擊時(shí)間為Imin至120min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述離子轟擊的離子源為考夫曼離子源、微波ECR離子源或RF離子源。
5.按權(quán)利要求1，2，3或4所述的方法制備的銅納米線或銅納米尖錐陣列在場(chǎng)發(fā)射冷陰極或具有鋰電池、超級(jí)電容器的光電器件上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法。首先將銅襯底在有氧氣氛下加熱形成氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜，然后將其放入真空室，用氬離子源進(jìn)行轟擊，通過(guò)控制離子轟擊的能量和時(shí)間，可以得到銅的納米線或納米尖錐陣列。本方法不使用任何催化劑，可以方便地在襯底上制備出不同密度和尺寸的銅納米線和銅納米尖錐。制備出的銅納米線和尖錐陣列可應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器件、鋰電池、超級(jí)電容等光電器件。
文檔編號(hào)H01J1/304GK102776469SQ20121026469
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者宋曉萌, 許寧生, 鄧少芝, 陳軍 申請(qǐng)人:中山大學(xué)