CN104134594A - 一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极。所述多孔石墨烯薄膜场发射阴极包括阴极基底和覆盖于阴极基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上设置有多孔阵列。本发明通过制备多孔薄膜结构，可以充分提高石墨烯薄膜的边缘比例，进而提高其大电流发射能力；在石墨烯孔的边缘，将会形成“金属-绝缘体-真空”三结，将极大地增强场发射电流，降低场发射驱动电压。

Description

一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极
技术领域
本发明涉及真空电子领域，具体涉及一种多孔石墨烯薄膜场致电子发射阴极，适用于各种真空电子器件中的冷阴极。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子堆积成的准二维碳质纳米材料，由于其独特的材料特性，石墨烯已经成为各国学者的研究热点。随着2010年Kostya Novoselov和Ander Geim因为对石墨烯的研究而获得诺贝尔物理学奖，对石墨烯材料特性、制备技术和器件应用的研究掀起了新的高潮。由于石墨烯具有非常好的电学性能、机械性能和化学特性，已被广泛应用于各种电子器件的研究。石墨烯可以具有单原子层厚度，所以它的长径比非常高(厚度与面积的比值)，进而具有非常优秀的场发射能力。另外，因为石墨烯的边沿非常丰富，理论上石墨烯的场发射能力可能超过碳纳米管。
因为石墨烯呈层状或者片状结构，为了实现优秀的场致发射性能，必须采用特殊的方法将石墨烯片状结构竖立在电极基板上。日本九州大学研究人员利用等离子增强的方法制备了几乎垂直的石墨烯层，其场发射开启场强大约为1V/μm。美国Rutgers大学研究人员等利用氧化还原法制备石墨烯层，并采用旋涂的方法使石墨烯层在衬底上出现一定的随机分布角度，获得了阈值场强为4V/μm的场发射性能。华东师范大学研究人员等采用传统的丝网印刷方法将石墨烯薄膜印刷到衬底上，通过研究发现，石墨烯薄膜在衬底上有一定的角度分布，因此表现出某些场致发射性能。沈阳金属所的研究人员等利用电泳的方法制备了石墨烯场致发射阴极，获得了2.3V/μm的开启场强和5.2V/μm的阈值场强。
虽然人们对石墨烯的场致发射性能和器件应用开展了大量的研究，但是目前对石墨烯层与衬底的角度以及大面积制备均匀性都难于精确调控，所以采用石墨烯作为场发射体所获得的电流发射性能还远低于碳纳米管。
发明内容
本发明的目的在于以提高场发射阴极的大电流发射能力、电流均匀性和稳定性以及降低驱动电压为目标，利用石墨烯薄膜导电性好，厚度薄，机械强度高等优点，提出一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极。它可以用于场发射X射线管、场发射微波管、场发射平板显示等各种场发射器件。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极，所述多孔石墨烯薄膜场发射阴极包括阴极基底和覆盖于阴极基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上设置有多孔阵列。
当施加一定外部电场时，电子将会从多孔石墨烯薄膜的孔边缘发射出来。所述多孔石墨烯薄膜上孔的排列方式、孔的直径等可以根据不同的器件需求进行优化设计。
所述多孔石墨烯薄膜是在连续石墨烯薄膜上形成多孔阵列得到的。
所述连续石墨烯薄膜的制备方法为气相化学沉积法、等离子体增强气相化学沉积法、机械剥离法或氧化还原法。
所述连续石墨烯薄膜为单层石墨烯、两层石墨烯或多层石墨烯。
所述多孔阵列图案的制备方法为电子束光刻法、紫外线光刻法、微/纳米压印法、微球模板法或阳极氧化铝模板法等。
所述阴极基底为绝缘材料。
所述阴极基底材料为二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)或氮化硅(Si3Nx)中的一种或至少两种的组合。
与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
(1)前期研究表明，石墨烯的场发射主要集中在石墨烯的边缘位置，因此，通过制备多孔薄膜结构，可以充分提高石墨烯薄膜的边缘比例，进而提高其大电流发射能力。
(2)由于石墨烯具有良好的导电性，因此其本身就可以作为阴极电极，不再需要另外的金属导电电极。
(3)由于石墨烯具有良好的导电性，可以视为金属，因此在石墨烯孔的边缘，将会形成“金属-绝缘体-真空”三结，这将极大地增强场发射电流，降低场发射驱动电压。
附图说明
图1是本发明所述多孔石墨烯薄膜场发射阴极的示意性斜视图；
图2是本发明具体实施例所述的多孔石墨烯薄膜场发射阴极的具体实施步骤示意图，其中(a)-(d)为各步骤示意图。
其中：10-多孔石墨烯薄膜；20-石墨烯孔的边缘；30-多孔阵列；40-基底；50-电子束光刻胶掩膜；60-在电子束光刻胶掩膜上形成的多孔阵列；70-连续石墨烯薄膜。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于此阐述的实施例。为了使图片清晰，放大了层与区域的厚度，但作为示意图，不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。此参考图是本发明的理想化实施例示意图，本发明所示的实施例不应该仅限于图中所示区域的特定形状。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
如图1、图2所示，一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极，所述多孔石墨烯薄膜场发射阴极包括阴极基底40和覆盖于阴极基底40上的多孔石墨烯薄膜10；所述多孔石墨烯薄膜10上设置有多孔阵列30。
所述多孔石墨烯薄膜10是在连续石墨烯薄膜70上形成多孔阵列30得到的。
所述连续石墨烯薄膜70的制备方法为气相化学沉积法、等离子体增强气相化学沉积法、机械剥离法或氧化还原法。
所述连续石墨烯薄膜70为单层石墨烯、两层石墨烯或多层石墨烯。
所述多孔阵列30的制备方法为电子束光刻法、紫外线光刻法、微球模板法或阳极氧化铝模板法。
所述阴极基底40为绝缘材料。
所述阴极基底40材料为二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅中的一种或至少两种的组合。
具体实施例：
本发明所述的一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极的具体制备过程如下：
步骤1：连续石墨烯薄膜70的制备：
将铜箔放置在石英管内，在氩气的气氛下，从室温加温到800～1000℃。氩气的流量保持在600sccm，升温速度为8℃/分钟。当铜箔加热到目标温度后，通入氢气还原退火，氢气流量为60sccm，氩气的流量和温度保持不变，20分钟后，通入10～50sccm甲烷，100sccm氢气和1000sccm氩气。生长5～15分钟后，关闭甲烷和氢气，在氩气气氛下降温至室温，在铜箔上生长出了连续石墨烯薄膜70。
步骤2：石墨烯的转移
在生长有连续石墨烯薄膜70的铜箔上涂覆PMMA，采用腐蚀基底的方法转移石墨烯层，即将带有转移PMMA和石墨烯的铜箔放入合适的FeCl3中，将铜箔腐蚀掉，得到漂浮在溶液表面的PMMA/石墨烯的薄膜。将PMMA/石墨烯的薄膜从腐蚀液中取出，清洗后粘贴到SiO2目标基底上。最后再用NaOH溶液去除PMMA。转移后的示意图如图2(a)所示。
步骤3：多孔石墨烯薄膜阴极的制备
在覆盖有石墨烯薄膜的SiO2基底上旋涂电子束光刻胶掩膜50，如图2(b)所示。采用电子束光刻的方法，获得在电子束光刻胶掩膜上形成的多孔阵列60，如图2(c)所示，然后采用低功率氧等离子对样品表面进行处理，暴露出来的石墨烯被氧等离子腐蚀掉，如图2(d)所示。最后，用丙酮将剩余的电子束光刻胶除去，就得到了如图1所示的多孔石墨烯薄膜阴极，其中在石墨烯孔的边缘20，将会形成“金属-绝缘体-真空”三结，这将极大地增强场发射电流，降低场发射驱动电压。
本发明提出的一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其中石墨烯薄膜的生长方法不限于气相化学沉积法，也可采用其他生长和制备石墨烯的方法；其中石墨烯薄膜的转移方法，不限于腐蚀基底的方法，也可采用其他转移方法；其中多孔阵列的制备方法，不限于电子束光刻法，也可采用其他薄膜图案加工方法。
以上例子，主要说明了一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极及其制备方法，尽管只对其中一些实施方式进行描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其技术主旨与范围内以许多其他的方式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜场发射阴极包括阴极基底(40)和覆盖于阴极基底(40)上的多孔石墨烯薄膜(10)；所述多孔石墨烯薄膜(10)上设置有多孔阵列(30)。
2.如权利要求1所述的多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜(10)是在连续石墨烯薄膜(70)上形成多孔阵列(30)得到的。
3.如权利要求2所述的多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述连续石墨烯薄膜(70)的制备方法为气相化学沉积法、等离子体增强气相化学沉积法、机械剥离法或氧化还原法。
4.如权利要求2或3所述的多孔石墨烯场发射阴极，其特征在于，所述连续石墨烯薄膜(70)为单层石墨烯、两层石墨烯或多层石墨烯。
5.如权利要求1-4之一所述的多孔石墨烯场发射阴极，其特征在于，所述多孔阵列(30)的制备方法为电子束光刻法、紫外线光刻法、微球模板法或阳极氧化铝模板法。
6.如权利要求1-5之一所述的多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述阴极基底(40)为绝缘材料。
7.如权利要求6所述的多孔石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述阴极基底(40)材料为二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅中的一种或至少两种的组合。
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