專利名稱：一種多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體說，涉及一種用熱蒸發(fā)方法在大氣壓和700℃～800℃的條件下在硅片襯底上形成大面積多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)，屬于光電子和半導體材料及其制備的技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
目前，許多場發(fā)射器件，例如平板顯示器，X射線源，真空微波放大器等，都需要高質(zhì)量的場發(fā)射陰極材料。由于一維納米結(jié)構(gòu)(如納米管，納米線等)有較大的長徑比和小的曲線半徑，在較小的電場下可以獲得較大的場發(fā)射電流密度，因此它們是理想的陰極材料。過去幾年中，人們致力于用碳納米管作為電子發(fā)射源，制備新一代的場發(fā)射平板顯示器。另外，由于碳納米管具有高的機械強度、好的導電性和化學穩(wěn)定性，所以是一種很好的冷陰極材料。用氣相輸運法(CVD)生長碳納米管和用絲網(wǎng)印刷制備碳納米管薄膜以及這些薄膜的場發(fā)射性能已見諸于報道。絲網(wǎng)印刷是制備大面積碳納米管薄膜的有效方法，該法成本低廉，操作簡單，不受尺寸限制。然而，用該法制備的碳納米管薄膜容易包含雜質(zhì)，導致其場發(fā)射電流密度和發(fā)射點密度較小，發(fā)射均勻性差，導致其在場發(fā)射顯示器件的應用中受到限制。因此，有必要提高這種絲網(wǎng)印刷碳納米管薄膜的場發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)。該復合結(jié)構(gòu)由硅片襯底、碳納米管和多角納米ZnO組成，碳納米管和多角納米ZnO以薄膜形式分別依附在硅片襯底上和依附在碳納米管薄膜上，多角狀納米ZnO的角的平均直徑和平均長度分別為20nm～40nm和300～500nm。該復合結(jié)構(gòu)具有多角狀的結(jié)構(gòu)特征，大大增加了發(fā)射點，使電子的發(fā)射更加容易。場發(fā)射測試研究表明，該復合結(jié)構(gòu)具有較大的場增強因子，低的開啟電場和閾值電壓，高的發(fā)射點密度，均勻的電子場發(fā)射像。
本發(fā)明的另一個目的是推出一種制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案用絲網(wǎng)印刷方法將碳納米管以薄膜形式涂布在硅片襯底的表面，以ZnO粉和石墨粉與少量Zn粉的均勻混和物作為蒸發(fā)源，用熱蒸發(fā)方法蒸發(fā)蒸發(fā)源混和物，在碳納米管薄膜上生長多角狀納米ZnO，得多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
一種制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，具體工藝步驟如下第一步 印制碳納米管薄膜用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，把有機溶液與碳納米管混合成印刷漿料，將所述的漿料印制在硅片襯底上，在硅片襯底上形成厚度介于6～10μm的碳納米管薄膜；第二步 退火和除去有機溶液經(jīng)第一步處理的硅片襯底在N2保護下400～600℃退火30～10分鐘，除去碳納米管薄膜內(nèi)的有機溶液；第三步 管式生長爐加熱將水平放置的管式生長爐加熱到700℃～800℃；第四步 配制蒸發(fā)源將ZnO粉、石墨粉和Zn粉均勻混和成蒸發(fā)源，放入石英舟中，ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉的質(zhì)量比為A∶B∶0.1(A+B)，其中A＝1～2，B＝1～2；第五步 放置石英舟把石英舟放置在加熱好的管式生長爐的中部，再把經(jīng)第二步處理的硅片襯底放入管式生長爐中距離蒸發(fā)源5～20cm處；第六步 通入載氣，進行熱蒸發(fā)反應將N2作為載氣通入管式生長爐，載氣的流量為0.5L/min～3L/min，在大氣壓和700℃～800℃的條件下進行熱蒸發(fā)反應45～15分鐘；第七步 得產(chǎn)品取出石英舟和硅片襯底，在硅片襯底上生長有一層白灰色的膜狀物質(zhì)，該硅片襯底及其上的碳納米管薄膜和膜狀物質(zhì)合在一起就是產(chǎn)品，多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)。
所述的產(chǎn)品具有與本發(fā)明提出的多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)完全相同的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進一步特征在于，第一步中，硅片襯底是P100型硅片。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進一步特征在于，第三步中，管式生長爐是由一根半徑和長度分別為8cm和140cm的石英管，第六步中，載氣直接通入所述的石英管中。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進一步特征在于，第一步中，硅片襯底是P100型硅片，第三步中，管式生長爐是由一根半徑和長度分別為8cm和140cm的石英管，第六步中，載氣直接通入所述的石英管中。
與已有技術(shù)及其合成的納米ZnO結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的突出特點是(1)采用硅片襯底上加一層碳納米管薄膜作為收集熱蒸發(fā)反應生成物的復合襯底。
(2)生長溫度低，最高只有800℃，反應在常壓下進行，降低了對設備的要求。
(3)生長時間短，只需15～45分鐘，節(jié)約了能源。
(4)對載氣的要求不高，只需要N2，不需要O2或其他氣體，而且載氣的流量低。
(5)方法簡單，成本低，重復性好，而且能大面積生長產(chǎn)品。


圖1是碳納米管薄膜的SEM圖。
圖2a是表面生長有多角狀納米ZnO的碳納米管薄膜的低倍SEM圖。
圖2b是表面生長有多角狀納米ZnO的碳納米管薄膜的高倍SEM圖。
圖2c是表面生長有多角狀納米ZnO的碳納米管薄膜的場發(fā)射像。
具體實施例方式
所有實施例均按上述的制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法的具體工藝步驟進行操作，每個實施例僅羅列關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)。
實施例1第一步中，碳納米管薄膜的厚度為6μm。第二步中，經(jīng)第一步處理的硅片襯底在N2保護下400℃退火30分鐘。第三步中，管式生長爐加熱到700℃。第四步中，A＝2，B＝1，0.1(A+B)＝0.3，即ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉質(zhì)量比為2∶1∶0.3。第六步中，N2的流量為0.5L/min，熱蒸發(fā)反應時間為45分鐘。
實施例2第一步中，碳納米管薄膜的厚度為8μm。第二步中，經(jīng)第一步處理的硅片襯底在N2保護下500℃退火20分鐘。第三步中，管式生長爐加熱到750℃。第四步中，A＝1，B＝1，0.1(A+B)＝0.2，即ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉質(zhì)量比為1∶1∶0.2。第六步中，N2的流量為1.8L/min，熱蒸發(fā)反應時間為30分鐘。
實施例3第一步中，碳納米管薄膜的厚度為10μm。第二步中，經(jīng)第一步處理的硅片襯底在N2保護下600℃退火10分鐘。第三步中，管式生長爐加熱到800℃。第四步中，A＝1，B＝2，0.1(A+B)＝0.3，即ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉質(zhì)量比為1∶2∶0.3。第六步中，N2的流量為3L/min，熱蒸發(fā)反應時間為15分鐘。
用本發(fā)明的制備方法制備的多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)特別適于用來制備場發(fā)射平板顯示器等器件。
權(quán)利要求
1.一種多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)，其特征在于，由硅片襯底、碳納米管和多角納米ZnO組成，碳納米管和多角納米ZnO以薄膜形式分別依附在硅片襯底上和依附在碳納米管薄膜上，多角狀納米ZnO的角的平均直徑和平均長度分別為20nm～40nm和300～500nm。
2.一種制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，具體工藝步驟如下第一步印制碳納米管薄膜用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，把有機溶液與碳納米管混合成印刷漿料，將所述的漿料印制在硅片襯底上，在硅片襯底上形成厚度介于6～10μm的碳納米管薄膜；第二步退火和除去有機溶液經(jīng)第一步處理的硅片襯底在N2保護下400～600℃退火30～10分鐘，除去碳納米管薄膜內(nèi)的有機溶液；第三步管式生長爐加熱將水平放置的管式生長爐加熱到700℃～800℃；第四步配制蒸發(fā)源將ZnO粉、石墨粉和Zn粉均勻混和成蒸發(fā)源，放入石英舟中，ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉的質(zhì)量比為A∶B∶0.1(A+B)，其中A＝1～2，B＝1～2；第五步放置石英舟把石英舟放置在加熱好的管式生長爐的中部，再把經(jīng)第二步處理的硅片襯底放入管式生長爐中距離蒸發(fā)源5～20cm處；第六步通入載氣，進行熱蒸發(fā)反應將N2作為載氣通入管式生長爐，載氣的流量為0.5L/min～3L/min，在大氣壓和700℃～800℃的條件下進行熱蒸發(fā)反應45～15分鐘；第七步得產(chǎn)品取出石英舟和硅片襯底，在硅片襯底上生長有一層白灰色的膜狀物質(zhì)，該硅片襯底及其上的碳納米管薄膜和膜狀物質(zhì)合在一起就是產(chǎn)品，多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，第一步中，硅片襯底是P100型硅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，第三步中，管式生長爐是由一根半徑和長度分別為8cm和140cm的石英管，第六步中，載氣直接通入所述的石英管中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，第一步中，硅片襯底是P100型硅片，第三步中，管式生長爐是由一根半徑和長度分別為8cm和140cm的石英管，第六步中，載氣直接通入所述的石英管中。
全文摘要
一種多角狀納米ZnO和碳納米管的復合結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于光電子和半導體材料及其制備的技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
用氣相輸運法和用絲網(wǎng)印刷制備的大面積碳納米管薄膜，含雜質(zhì)較多，其場發(fā)射電流密度和發(fā)射點密度較小，發(fā)射均勻性差，限制其在場發(fā)射顯示器件中的應用。該復合結(jié)構(gòu)由硅片襯底、碳納米管和多角納米ZnO組成，在表面印制有碳納米管薄膜的硅片襯底上，以ZnO粉和石墨粉與少量Zn粉的均勻混和物作為蒸發(fā)源，用熱蒸發(fā)方法蒸發(fā)蒸發(fā)源混和物，在碳納米管薄膜上生長多角狀納米ZnO，該復合結(jié)構(gòu)多角，場發(fā)射電流密度和發(fā)射點密度大，發(fā)射均勻性好，特別適于在場發(fā)射顯示器件中應用。
文檔編號C01G9/02GK1967766SQ200610117269
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者郁可, 王青艷, 朱自強 申請人:華東師范大學