一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極。所述多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極包括陰極基底和覆蓋于陰極基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上設(shè)置有多孔陣列。本發(fā)明通過制備多孔薄膜結(jié)構(gòu)，可以充分提高石墨烯薄膜的邊緣比例，進而提高其大電流發(fā)射能力；在石墨烯孔的邊緣，將會形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，將極大地增強場發(fā)射電流，降低場發(fā)射驅(qū)動電壓。
【專利說明】一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真空電子領(lǐng)域，具體涉及一種多孔石墨烯薄膜場致電子發(fā)射陰極，適用于各種真空電子器件中的冷陰極。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層碳原子堆積成的準二維碳質(zhì)納米材料，由于其獨特的材料特性，石墨烯已經(jīng)成為各國學者的研究熱點。隨著2010年Kostya Novoselov和Ander Geim因為對石墨烯的研究而獲得諾貝爾物理學獎，對石墨烯材料特性、制備技術(shù)和器件應用的研究掀起了新的高潮。由于石墨烯具有非常好的電學性能、機械性能和化學特性，已被廣泛應用于各種電子器件的研究。石墨烯可以具有單原子層厚度，所以它的長徑比非常高(厚度與面積的比值)，進而具有非常優(yōu)秀的場發(fā)射能力。另外，因為石墨烯的邊沿非常豐富，理論上石墨烯的場發(fā)射能力可能超過碳納米管。
[0003]因為石墨烯呈層狀或者片狀結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)優(yōu)秀的場致發(fā)射性能，必須采用特殊的方法將石墨烯片狀結(jié)構(gòu)豎立在電極基板上。日本九州大學研究人員利用等離子增強的方法制備了幾乎垂直的石墨烯層，其場發(fā)射開啟場強大約為IV/μ m。美國Rutgers大學研究人員等利用氧化還原法制備石墨烯層，并采用旋涂的方法使石墨烯層在襯底上出現(xiàn)一定的隨機分布角度，獲得了閾值場強為4V/ μ m的場發(fā)射性能。華東師范大學研究人員等采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷方法將石墨烯薄膜印刷到襯底上，通過研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜在襯底上有一定的角度分布，因此表現(xiàn)出某些場致發(fā)射性能。沈陽金屬所的研究人員等利用電泳的方法制備了石墨烯場致發(fā)射陰極，獲得了 2.3V/ym的開啟場強和5.2V/ym的閾值場強。
[0004]雖然人們對石墨烯的場致發(fā)射性能和器件應用開展了大量的研究，但是目前對石墨烯層與襯底的角度以及大面積制備均勻性都難于精確調(diào)控，所以采用石墨烯作為場發(fā)射體所獲得的電流發(fā)射性能還遠低于碳納米管。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于以提高場發(fā)射陰極的大電流發(fā)射能力、電流均勻性和穩(wěn)定性以及降低驅(qū)動電壓為目標，利用石墨烯薄膜導電性好，厚度薄，機械強度高等優(yōu)點，提出一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極。它可以用于場發(fā)射X射線管、場發(fā)射微波管、場發(fā)射平板顯示等各種場發(fā)射器件。
[0006]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，所述多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極包括陰極基底和覆蓋于陰極基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上設(shè)置有多孔陣列。
[0008]當施加一定外部電場時，電子將會從多孔石墨烯薄膜的孔邊緣發(fā)射出來。所述多孔石墨烯薄膜上孔的排列方式、孔的直徑等可以根據(jù)不同的器件需求進行優(yōu)化設(shè)計。
[0009]所述多孔石墨烯薄膜是在連續(xù)石墨烯薄膜上形成多孔陣列得到的。
[0010]所述連續(xù)石墨烯薄膜的制備方法為氣相化學沉積法、等離子體增強氣相化學沉積法、機械剝離法或氧化還原法。
[0011]所述連續(xù)石墨烯薄膜為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
[0012]所述多孔陣列圖案的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微/納米壓印法、微球模板法或陽極氧化鋁模板法等。
[0013]所述陰極基底為絕緣材料。
[0014]所述陰極基底材料為二氧化硅(S12)、三氧化二鋁(Al2O3)或氮化硅(Si3Nx)中的一種或至少兩種的組合。
[0015]與已有技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016](I)前期研究表明，石墨烯的場發(fā)射主要集中在石墨烯的邊緣位置，因此，通過制備多孔薄膜結(jié)構(gòu)，可以充分提高石墨烯薄膜的邊緣比例，進而提高其大電流發(fā)射能力。
[0017](2)由于石墨烯具有良好的導電性，因此其本身就可以作為陰極電極，不再需要另外的金屬導電電極。
[0018](3)由于石墨烯具有良好的導電性，可以視為金屬，因此在石墨烯孔的邊緣，將會形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，這將極大地增強場發(fā)射電流，降低場發(fā)射驅(qū)動電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極的示意性斜視圖；
[0020]圖2是本發(fā)明具體實施例所述的多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極的具體實施步驟示意圖，其中(a)-(d)為各步驟示意圖。
[0021]其中:10_多孔石墨烯薄膜；20_石墨烯孔的邊緣；30_多孔陣列；40_基底；50_電子束光刻膠掩膜；60_在電子束光刻膠掩膜上形成的多孔陣列；70_連續(xù)石墨烯薄膜。
[0022]下面對本發(fā)明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護范圍，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明提供優(yōu)選實施例，但不應該被認為僅限于此闡述的實施例。為了使圖片清晰，放大了層與區(qū)域的厚度，但作為示意圖，不應該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。此參考圖是本發(fā)明的理想化實施例示意圖，本發(fā)明所示的實施例不應該僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀。
[0024]為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實施例如下:
[0025]如圖1、圖2所示，一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，所述多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極包括陰極基底40和覆蓋于陰極基底40上的多孔石墨烯薄膜10 ;所述多孔石墨烯薄膜10上設(shè)置有多孔陣列30。
[0026]所述多孔石墨烯薄膜10是在連續(xù)石墨烯薄膜70上形成多孔陣列30得到的。
[0027]所述連續(xù)石墨烯薄膜70的制備方法為氣相化學沉積法、等離子體增強氣相化學沉積法、機械剝離法或氧化還原法。
[0028]所述連續(xù)石墨烯薄膜70為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
[0029]所述多孔陣列30的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微球模板法或陽極氧化鋁模板法。
[0030]所述陰極基底40為絕緣材料。
[0031]所述陰極基底40材料為二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅中的一種或至少兩種的組合。
[0032]具體實施例:
[0033]本發(fā)明所述的一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極的具體制備過程如下:
[0034]步驟1:連續(xù)石墨烯薄膜70的制備:
[0035]將銅箔放置在石英管內(nèi)，在氬氣的氣氛下，從室溫加溫到800?1000°C。氬氣的流量保持在eOOsccm，升溫速度為8V /分鐘。當銅箔加熱到目標溫度后，通入氫氣還原退火，氫氣流量為60SCCm，氬氣的流量和溫度保持不變，20分鐘后，通入10?50SCCm甲烷，10sccm氫氣和100sccm気氣。生長5?15分鐘后,關(guān)閉甲燒和氫氣,在気氣氣氛下降溫至室溫，在銅箔上生長出了連續(xù)石墨烯薄膜70。
[0036]步驟2:石墨烯的轉(zhuǎn)移
[0037]在生長有連續(xù)石墨烯薄膜70的銅箔上涂覆PMMA，采用腐蝕基底的方法轉(zhuǎn)移石墨烯層，即將帶有轉(zhuǎn)移PMMA和石墨烯的銅箔放入合適的FeCl3中，將銅箔腐蝕掉，得到漂浮在溶液表面的PMMA/石墨烯的薄膜。將PMMA/石墨烯的薄膜從腐蝕液中取出，清洗后粘貼到S12目標基底上。最后再用NaOH溶液去除PMMA。轉(zhuǎn)移后的不意圖如圖2 (a)所不。
[0038]步驟3:多孔石墨烯薄膜陰極的制備
[0039]在覆蓋有石墨烯薄膜的S12基底上旋涂電子束光刻膠掩膜50，如圖2(b)所示。采用電子束光刻的方法，獲得在電子束光刻膠掩膜上形成的多孔陣列60，如圖2(c)所示，然后采用低功率氧等離子對樣品表面進行處理，暴露出來的石墨烯被氧等離子腐蝕掉，如圖2(d)所示。最后，用丙酮將剩余的電子束光刻膠除去，就得到了如圖1所示的多孔石墨烯薄膜陰極，其中在石墨烯孔的邊緣20，將會形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，這將極大地增強場發(fā)射電流，降低場發(fā)射驅(qū)動電壓。
[0040]本發(fā)明提出的一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其中石墨烯薄膜的生長方法不限于氣相化學沉積法，也可采用其他生長和制備石墨烯的方法；其中石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，不限于腐蝕基底的方法，也可采用其他轉(zhuǎn)移方法；其中多孔陣列的制備方法，不限于電子束光刻法，也可采用其他薄膜圖案加工方法。
[0041]以上例子，主要說明了一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極及其制備方法，盡管只對其中一些實施方式進行描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應當了解，本發(fā)明可以在不偏離其技術(shù)主旨與范圍內(nèi)以許多其他的方式實施。因此，所展示的例子與實施例方式被視為示意性的而非限制性的。
[0042]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0043]此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極包括陰極基底(40)和覆蓋于陰極基底(40)上的多孔石墨烯薄膜(10);所述多孔石墨烯薄膜(10)上設(shè)置有多孔陣列(30)。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜(10)是在連續(xù)石墨烯薄膜(70)上形成多孔陣列(30)得到的。
3.如權(quán)利要求2所述的多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其特征在于，所述連續(xù)石墨烯薄膜(70)的制備方法為氣相化學沉積法、等離子體增強氣相化學沉積法、機械剝離法或氧化還原法。
4.如權(quán)利要求2或3所述的多孔石墨烯場發(fā)射陰極，其特征在于，所述連續(xù)石墨烯薄膜(70)為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的多孔石墨烯場發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔陣列(30)的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微球模板法或陽極氧化鋁模板法。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其特征在于，所述陰極基底(40)為絕緣材料。
7.如權(quán)利要求6所述的多孔石墨烯薄膜場發(fā)射陰極，其特征在于，所述陰極基底(40)材料為二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅中的一種或至少兩種的組合。
【文檔編號】H01J1/304GK104134594SQ201410373851
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李馳, 白冰, 李振軍, 和峰, 楊曉霞, 裘曉輝, 戴慶 申請人:國家納米科學中心