CN102568977A - 一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法 - Google Patents

一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其过程为：将表面镀有磁性金属的碳纳米管配制成分散均匀、稳定的碳纳米管电泳液，在磁场的作用下，采用电泳沉积法制备金属化碳纳米管阴极。所制得的金属化碳纳米管阴极的碳纳米管具有取向好，可大幅度提高其电子的传导和发射能力，且进一步改善金属化碳纳米管阴极与衬底电极的附着性。

Description

一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法
技术领域
本发明涉及碳纳米管场致发射阴极的制备技术，更具体涉及一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法。
背景技术
碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），具有优异的电学、磁学和力学性能。尤其碳纳米管具备纳米级的尖端曲率半径以及较低的功函数，表现出很好的场致发射特性。但由于碳纳米管本身的纳米效应所以极易团聚，影响了碳纳米管电子发射的有效性，又由于碳纳米管与基体之间缺乏足够的界面结合，不能充分发挥碳纳米管电子传导和发射能力，从而影响了碳纳米管在场发射领域的应用。
目前，碳纳米管阴极的制备方法主要有三种：一种是CVD法直接在玻璃衬底上制备催化剂，然后生长出碳纳米管薄膜，一般应用于小尺寸器件，并且生长温度达到600～1000℃，对玻璃基板要求比较高。另一种是丝网印刷技术，将含有碳纳米管的有机浆料印刷在玻璃基板上，这种方法可以实现任意大尺寸的阴极，但印刷工艺使用的有机溶剂一定程度上会影响碳纳米管的发射性能，须要后续的处理步骤，如等离子体轰击或激光，有机刮划才能获得较好的场发射性能。第三种电泳沉积法，较之印刷技术相比，所制得的阴极分布更均匀，且厚度更容易控制。
传统的电泳沉积法虽说所制得的阴极分布更均匀，且厚度更容易控制，没有有机溶剂污染，也可以做大尺寸，但是碳纳米管与衬底基板的附着性不高，碳管的取向性也没有原位生长法的效果好。
为此，我们提出一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，不仅继承了传统电泳法的优点，提高了碳纳米管与衬底基板的附着性，同时使碳纳米管能在基板上直立起来，大幅度提高碳管的尖端发射能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，本发明所制得的金属化碳纳米管阴极的碳纳米管具有取向好，可大幅度提高其电子的传导和发射能力，且进一步改善金属化碳纳米管阴极与衬底电极的附着性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，电泳时，在外界施加强度为0.01-10 T的辅助磁场，磁极与电极平行，且电场和磁场同向。
所述辅助磁场装置是面状磁铁，或者是外接交流电源的磁线圈；所述面状磁铁呈对称置于容器两侧，并与所述电泳沉积的电极正极板、负极板平行；所述磁线圈水平放置并外套在容器外侧。
碳纳米管表面的磁性金属层是铁、钴、镍、镧系中的一种或多种复合金属层，所述的表面磁性金属层是通过化学镀法、蒸发镀膜法或者是离子束沉积法沉积在碳纳米管表面。
所述电泳沉积法为直流电泳工艺、脉冲电泳工艺或电刷电泳工艺。
电泳时所用的碳纳米管电泳液，是将表面镀有磁性金属的碳纳米管分散在水、醇类或酮类有机溶剂中，并添加金属离子辅助盐类（水溶性含Mg化合物，Al化合物，In化合物，Ag化合物，K化合物，Ni化合物，Co化合物的一种或者两种及其以上组合），超声分散配置而成。
本发明的显著优点是：带有磁性金属层的碳纳米管在电泳沉积的过程中，表面的磁性金属受磁力作用，使得碳纳米管沿轴向拉伸，在磁场方向一字型排列，降低碳纳米管的弯曲度以及团聚几率，并保证碳纳米管的一致性；电泳沉积后，由于磁场的作用，金属化碳纳米管与基板的附着力增大，提高了碳纳米管阴极的稳定性，并且由于碳纳米管表面金属层的存在，降低了碳纳米管与基板电极的接触电阻。这一方法不仅继承了传统电泳法的优点，同时也提高了碳纳米管的沉积速率以及与基板衬底的附着性，解决了碳纳米管易团聚的工艺难题，而且也能使碳纳米管能在基板上直立起来，增加碳纳米管的尖端电子发射能力，提高场致发射的效率。
附图说明
图1是磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的原理图。
图2是磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的装置图。
图3是直流电泳沉积与磁场辅助直流电泳沉积的镀镍碳纳米管阴极的场发射电流密度-外加场强（J-E）曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种磁场辅助电泳沉积表面镀镍碳纳米管阴极的制备方法。下面结合具体实施步骤予以说明。图1为磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的原理图
1）碳纳米管的电泳前预处理
（1）将碳纳米管进行纯化、敏化、活化处理；
（2）采用化学镀法在碳纳米管表面沉积一层均匀的磁性金属镍层；
2）碳纳米管电泳液的制备
有机浆料制备：先取乙基纤维素（[C6H7O2(OC2H5)3]n）10 g、松油醇(C10H18O) 500 mL、聚乙烯吡咯烷酮 2 g混合在一起，温度为80 ℃，通过磁力加热搅拌4 h，使得各种材料均匀混合。
电泳液制备：取出上述有机混合物100 mL加入化学镀镍层的碳纳米管粉末5 g，超声粉碎2 h分散成碳纳米管浆料。取10 mL碳纳米管浆料作为溶质加入到1 L的异丙醇，并加入0.2 g Mg(NO3)2作为离子辅助盐，并超声分散形成均匀的金属化镀镍碳纳米管电泳液。
3）磁场辅助电泳沉积碳纳米管阴极的制备
如图2所示，将玻璃基板上条状的CrCuCr电极作为沉积金属化镀镍碳纳米管薄膜的阴极衬底与电泳仪电源的负极相连，将整面的ITO玻璃作为电泳阳极板与电源的正极相连，阴极板与阳极板水平放置并保持平行，阴阳极间距为3mm，两块矩形磁铁分别平行于阳极板和阴极板，磁场强度为2 T，电泳电流密度为1mA/cm2，电泳时间为10min；最后，将沉积有碳纳米管的阴极板放置在300℃的烘箱中保温10min后自然烘干，得到金属化镀镍的碳纳米管薄膜阴极。图3为直流电泳沉积的镀镍碳纳米管阴极与磁场辅助直流电泳沉积的镀镍碳纳米管阴极的场发射电流密度-外加场强（J-E）曲线，从图中可以看出，在磁场的作用下，金属化碳纳米管阴极的阈值场强降低，发射电流增大，即其发射电子能力和效率增强。
实施例2
本实施例提供一种磁场辅助脉冲电泳沉积表面镀铁钴复合磁性金属层碳纳米管阴极的制备方法。下面结合具体实施步骤予以说明。
1）碳纳米管的预处理
（1）将碳纳米管进行纯化、敏化、活化处理；
（2）采用蒸发镀膜法在碳纳米管表面沉积一层均匀的铁钴复合磁性金属层。
2）碳纳米管电泳液的制备
取50 mg表面镀铁钴复合磁性金属层的碳纳米管与25mg六水硝酸镁（Mg(NO3)·6H2O）分散于250ml的异丙醇中，在超声细胞粉碎机中超声分散1h，得到均匀的表面金属化的碳纳米管分散液（0.2mg/ml）。
3）磁场辅助脉冲电泳沉积表面镀铁钴复合磁性金属层碳纳米管阴极的制备
将玻璃基板上条状的Ag浆电极作为沉积所述表面金属化碳纳米管的阴极衬底与电泳仪脉冲电源的负极相连，将面状的石墨板作为电泳阳极板与脉冲电源的正极相连，阴极板与阳极板水平放置并保持平行，阴阳极间距为1cm，两块矩形磁铁分别平行与阳极板和阴极板，磁场强度为5 T；
采用脉冲电源，电泳过程中，工艺参数如下表所示：
Figure 2012100696536100002DEST_PATH_IMAGE002
最后，将沉积有表面镀铁钴复合磁性金属层碳纳米管薄膜的阴极板放置在300℃的烘箱中保温20 min后自然烘干，得到表面镀铁钴复合磁性金属层碳纳米管薄膜阴极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：电泳时，在外界施加强度为0.01-10 T的辅助磁场，磁极与电极平行，且电场和磁场同向。
2.根据权利要求1所述的磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：所述辅助磁场装置是面状磁铁，或者是外接交流电源的磁线圈；所述面状磁铁呈对称置于容器两侧，并与所述电泳沉积的电极正极板、负极板平行；所述磁线圈水平放置并外套在容器外侧。
3.根据权利要求1所述的磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：碳纳米管表面的磁性金属层是铁、钴、镍、镧系中的一种或多种复合金属层，所述的表面磁性金属层是通过化学镀法、蒸发镀膜法或者是离子束沉积法沉积在碳纳米管表面。
4.根据权利要求1所述的磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：所述电泳沉积法为直流电泳工艺、脉冲电泳工艺或电刷电泳工艺。
5.根据权利要求1所述的磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：电泳时所用的碳纳米管电泳液，是将表面镀有磁性金属的碳纳米管分散在水、醇类或酮类有机溶剂中，并添加金属离子辅助盐类，超声分散配置而成。
6.根据权利要求5所述的磁场辅助电泳沉积金属化碳纳米管阴极的制备方法，其特征在于：金属离子辅助盐类是水溶性含Mg化合物、Al化合物、In化合物、Ag化合物、Ni化合物、Co化合物中的一种或多种的混合物。
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