CN100524578C - 一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构及其制备方法 - Google Patents

一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构及其制备方法，属于光电子和半导体材料及其制备的技术领域。背景技术用气相输运法和用丝网印刷制备的大面积碳纳米管薄膜，含杂质较多，其场发射电流密度和发射点密度较小，发射均匀性差，限制其在场发射显示器件中的应用。该复合结构由硅片衬底、碳纳米管和多角纳米ZnO组成，在表面印制有碳纳米管薄膜的硅片衬底上，以ZnO粉和石墨粉与少量Zn粉的均匀混和物作为蒸发源，用热蒸发方法蒸发蒸发源混和物，在碳纳米管薄膜上生长多角状纳米ZnO，该复合结构多角，场发射电流密度和发射点密度大，发射均匀性好，特别适于在场发射显示器件中应用。

Description

一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构及其制备方法，具体说，涉及一种用热蒸发方法在大气压和700℃～800℃的条件下在硅片衬底上形成大面积多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构，属于光电子和半导体材料及其制备的技术领域。
技术背景
目前，许多场发射器件，例如平板显示器，X射线源，真空微波放大器等，都需要高质量的场发射阴极材料。由于一维纳米结构(如纳米管，纳米线等)有较大的长径比和小的曲线半径，在较小的电场下可以获得较大的场发射电流密度，因此它们是理想的阴极材料。过去几年中，人们致力于用碳纳米管作为电子发射源，制备新一代的场发射平板显示器。另外，由于碳纳米管具有高的机械强度、好的导电性和化学稳定性，所以是一种很好的冷阴极材料。用气相输运法(CVD)生长碳纳米管和用丝网印刷制备碳纳米管薄膜以及这些薄膜的场发射性能已见诸于报道。丝网印刷是制备大面积碳纳米管薄膜的有效方法，该法成本低廉，操作简单，不受尺寸限制。然而，用该法制备的碳纳米管薄膜容易包含杂质，导致其场发射电流密度和发射点密度较小，发射均匀性差，导致其在场发射显示器件的应用中受到限制。因此，有必要提高这种丝网印刷碳纳米管薄膜的场发射性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构。该复合结构由硅片衬底、碳纳米管和多角纳米ZnO组成，碳纳米管和多角纳米ZnO以薄膜形式分别依附在硅片衬底上和依附在碳纳米管薄膜上，多角状纳米ZnO的角的平均直径和平均长度分别为20nm～40nm和300～500nm。该复合结构具有多角状的结构特征，大大增加了发射点，使电子的发射更加容易。场发射测试研究表明，该复合结构具有较大的场增强因子，低的开启电场和阈值电压，高的发射点密度，均匀的电子场发射像。
本发明的另一个目的是推出一种制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法。为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：用丝网印刷方法将碳纳米管以薄膜形式涂布在硅片衬底的表面，以ZnO粉和石墨粉与少量Zn粉的均匀混和物作为蒸发源，用热蒸发方法蒸发蒸发源混和物，在碳纳米管薄膜上生长多角状纳米ZnO，得多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构。
现详细说明本发明的技术方案。
一种制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
第一步印制碳纳米管薄膜，
用传统的丝网印刷技术，把有机溶液与碳纳米管混合成印刷浆料，将所述的浆料印制在硅片衬底上，在硅片衬底上形成厚度介于6～10μm的碳纳米管薄膜；
第二步退火和除去有机溶液，
经第一步处理的硅片衬底在N2保护下400～600℃退火30～10分钟，除去碳纳米管薄膜内的有机溶液；
第三步管式生长炉加热，
将水平放置的管式生长炉加热到700℃～800℃；
第四步配制蒸发源，
将ZnO粉、石墨粉和Zn粉均匀混和成蒸发源，放入石英舟中，ZnO粉:石墨粉:Zn粉的质量比为A:B:0.1(A+B)，其中A＝1～2，B＝1～2；
第五步放置石英舟，
把石英舟放置在加热好的管式生长炉的中部，再把经第二步处理的硅片衬底放入管式生长炉中距离蒸发源5～20cm处；
第六步通入载气，进行热蒸发反应，
将N2作为载气通入管式生长炉，载气的流量为0.5L/min～3L/min，在大气压和700℃～800℃的条件下进行热蒸发反应45～15分钟；
第七步得产品，
取出石英舟和硅片衬底，在硅片衬底上生长有一层白灰色的膜状物质，该硅片衬底及其上的碳纳米管薄膜和膜状物质合在一起就是产品即多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构。
所述的产品具有与本发明提出的多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构完全相同的结构。
本发明的技术方案的进一步特征在于，第一步中，硅片衬底是P100型硅片。
本发明的技术方案的进一步特征在于，第三步中，管式生长炉是一根半径和长度分别为8cm和140cm的石英管，第六步中，载气直接通入所述的石英管中。
本发明的技术方案的进一步特征在于，第一步中，硅片衬底是P100型硅片，第三步中，管式生长炉是一根半径和长度分别为8cm和140cm的石英管，第六步中，载气直接通入所述的石英管中。
与已有技术及其合成的纳米ZnO结构相比，本发明的突出特点是：
(1)采用硅片衬底上加一层碳纳米管薄膜作为收集热蒸发反应生成物的复合衬底。
(2)生长温度低，最高只有800℃，反应在常压下进行，降低了对设备的要求。
(3)生长时间短，只需15～45分钟，节约了能源。
(4)对载气的要求不高，只需要N2，不需要O2或其他气体，而且载气的流量低。
(5)方法简单，成本低，重复性好，而且能大面积生长产品。
附图说明
图1是碳纳米管薄膜的SEM图。
图2a是表面生长有多角状纳米ZnO的碳纳米管薄膜的低倍SEM图。
图2b是表面生长有多角状纳米ZnO的碳纳米管薄膜的高倍SEM图。
图2c是表面生长有多角状纳米ZnO的碳纳米管薄膜的场发射像。
具体实施方式
所有实施例均按上述的制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法的具体工艺步骤进行操作，每个实施例仅罗列关键的技术数据。
实施例1：
第一步中，碳纳米管薄膜的厚度为6μm。第二步中，经第一步处理的硅片衬底在N2保护下400℃退火30分钟。第三步中，管式生长炉加热到700℃。第四步中，A＝2，B＝1，0.1(A+B)＝0.3，即ZnO粉:石墨粉:Zn粉质量比为2:1:0.3。第六步中，N2的流量为0.5L/min，热蒸发反应时间为45分钟。
实施例2：
第一步中，碳纳米管薄膜的厚度为8μm。第二步中，经第一步处理的硅片衬底在N2保护下500℃退火20分钟。第三步中，管式生长炉加热到750℃。第四步中，A＝1，B＝1，0.1(A+B)＝0.2，即ZnO粉:石墨粉:Zn粉质量比为1:1:0.2。第六步中，N2的流量为1.8L/min，热蒸发反应时间为30分钟。
实施例3：
第一步中，碳纳米管薄膜的厚度为10μm。第二步中，经第一步处理的硅片衬底在N2保护下600℃退火10分钟。第三步中，管式生长炉加热到800℃。第四步中，A＝1，B＝2，0.1(A+B)＝0.3，即ZnO粉:石墨粉:Zn粉质量比为1:2:0.3。第六步中，N2的流量为3L/min，热蒸发反应时间为15分钟。
用本发明的制备方法制备的多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构特别适于用来制备场发射平板显示器等器件。

Claims (5)

1、一种多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构，其特征在于，由硅片衬底、碳纳米管和多角纳米ZnO组成，碳纳米管和多角纳米ZnO以薄膜形式分别依附在硅片衬底上和依附在碳纳米管薄膜上，多角状纳米ZnO的角的平均直径和平均长度分别为20nm～40nm和300～500nm。
2、一种制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
第一步 印制碳纳米管薄膜，
用传统的丝网印刷技术，把有机溶液与碳纳米管混合成印刷浆料，将所述的浆料印制在硅片衬底上，在硅片衬底上形成厚度介于6～10μm的碳纳米管薄膜；
第二步 退火和除去有机溶液，
经第一步处理的硅片衬底在N2保护下400～600℃退火30～10分钟，除去碳纳米管薄膜内的有机溶液；
第三步 管式生长炉加热，
将水平放置的管式生长炉加热到700℃～800℃；
第四步 配制蒸发源，
将ZnO粉、石墨粉和Zn粉均匀混和成蒸发源，放入石英舟中，ZnO粉:石墨粉:Zn粉的质量比为A:B:0.1(A+B)，其中A＝1～2，B＝1～2；
第五步 放置石英舟，
把石英舟放置在加热好的管式生长炉的中部，再把经第二步处理的硅片衬底放入管式生长炉中距离蒸发源5～20cm处；
第六步 通入载气，进行热蒸发反应，
将N2作为载气通入管式生长炉，载气的流量为0.5L/min～3L/min，在大气压和700℃～800℃的条件下进行热蒸发反应45～15分钟；
第七步 得产品，
取出石英舟和硅片衬底，在硅片衬底上生长有一层白灰色的膜状物质，该硅片衬底及其上的碳纳米管薄膜和膜状物质合在一起就是产品即多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构。
3、根据权利要求2所述的制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法，其特征在于，第一步中，硅片衬底是P100型硅片。
4、根据权利要求2所述的制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法，其特征在于，第三步中，管式生长炉是一根半径和长度分别为8cm和140cm的石英管，第六步中，载气直接通入所述的石英管中。
5、根据权利要求2所述的制备多角状纳米ZnO和碳纳米管的复合结构的方法，其特征在于，第一步中，硅片衬底是P100型硅片，第三步中，管式生长炉是一根半径和长度分别为8cm和140cm的石英管，第六步中，载气直接通入所述的石英管中。
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碳纳米管/氧化锌纳米复合材料的制备及其形貌控制. 吴小利等.无机化学学报，第21卷第10期. 2005
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