CN105161388B

CN105161388B - 柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用

Info

Publication number: CN105161388B
Application number: CN201510510985.7A
Authority: CN
Inventors: 杨为佑; 陈善亮; 尚明辉; 王霖; 高凤梅
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105161388A

Abstract

本发明涉及一种柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用。该柔性纳米材料为场发射柔性阴极，柔性阴极的发射电流密度波动性为±2‑4％，开启电场波动性＜±0.05％。本发明中的柔性阴极不仅具有很高的柔韧性，而且在不同弯曲次数、不同弯曲状态下开启电场基本保持不变，在不同弯曲状态和不同温度下均保持较高的电子发射稳定性。

Description

柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用

技术领域

本发明涉及一种纳米材料在场发射阴极材料中的应用，尤其涉及一种柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用。

背景技术

场发射是低维纳米材料的固有特性之一。大量研究结果表明，纳米结构具有传统材料所不具备的优异场发射性能，在场发射显示器、X射线管等光电器件领域具有巨大的潜在应用前景。在众多的场发射研究体系中，柔性场发射阴极由于其在电子织物、分布式传感器、纸上显示器以及建筑物表面的大型弯曲显示器等领域具有广泛、独特的应用，在最近几年越来越受到关注。

SiC是继第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料之后发展起来的第三代半导体材料。与其传统体材料相比，低维SiC纳米结构具有优异的场发射性能，开启电场可低于1V/μm。目前，SiC柔性场发射阴极材料的研发也已取得一定进展。2012年，南洋理工大学Wu等首次报道了SiC柔性场发射阴极；Wang等在碳纤维布衬底上制备出N掺杂SiC纳米针柔性阴极，阴极在不同弯曲状态下均具有很高的柔性，其在平直状态下的开启电场约为1.1V/μm；Chen等通过协调控制降温时间和热解气氛，实现对柔性阴极场发射性能的精细调控。这些研究证实，SiC低维纳米结构柔性阴极具有优异的场发射性能，在柔性场发射显示器、小型化X射线管等领域展现出广泛的应用前景。

然而，目前关于SiC柔性阴极的研发仍不够系统，尤其是SiC柔性阴极在不同弯曲状态及温度下的电子发射稳定的研究仍有很大不足，且无法实现柔性阴极在不同弯曲状态下均保持恒定的开启电场，这对其构建性能优异的柔性场发射设备存在很大障碍，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种能够实现在不同弯曲次数、不同弯曲状态及不同温度下都具有很高的电子发射稳定性的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用，该柔性纳米材料为场发射柔性阴极，柔性阴极的发射电流密度波动性为±2-4％，开启电场波动性＜±0.05％。

本发明柔性纳米材料具有很高的柔韧性，在场发射阴极材料中应用时，在不同弯曲次数和不同的弯曲状态下开启电场基本保持不变，在不同弯曲状态和不同温度下均保持较高的电子发射稳定性。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，纳米材料形成于柔性衬底上。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性衬底为碳纤维布。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性纳米材料为颗粒状。本发明柔性纳米材料为颗粒状，因为纳米针、纳米线、纳米带等结构，其在不同弯曲状态下很难保证具有稳定的开启电场。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性纳米材料包括柔性SiC纳米材料或柔性原子掺杂SiC纳米材料。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性原子掺杂SiC纳米材料包括柔性P掺杂SiC纳米材料或柔性N掺杂SiC纳米材料。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量为0.2-0.3at％。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性N掺杂SiC纳米材料中N的掺杂量为2.38-7.32at％。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明中的柔性阴极具有很高的柔韧性。

2.本发明柔性阴极在不同弯曲次数后开启电场基本保持不变。

3.本发明柔性阴极在不同弯曲状态下的开启电场基本保持不变。

4.本发明柔性阴极在不同弯曲状态下均保持较高的电子发射稳定性。

5.本发明柔性阴极在不同温度均保持较高的电子发射稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用的柔性场发射阴极的数码照片；

图2为本发明实施例1中采用的柔性阴极的扫描电镜(SEM)图；

图3为本发明实施例1中柔性阴极在经过0、50、100、150和200次反复弯曲后的电场强度-电流密度的曲线；

图4为本发明实施例1中柔性阴极在凹面型、平面型和凸面型等不同状态下的电场强度-电流密度的曲线；

图5为本发明实施例1中柔性阴极在凹面型、平面型和凸面型等不同状态下其电流密度随时间延长的变化曲线；

图6为本发明实施例1中柔性阴极在不同温度下其电流密度随时间延长的变化曲线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

以生长在碳纤维布上的P掺杂SiC纳米颗粒为柔性阴极，其中，柔性P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量为0.2at％。

对实施例1中的柔性阴极进行场发射性能的测试，测试方法和测试结果如下：

图1为实施例1的柔性阴极的数码照片，表明阴极具有很高的柔韧性。

图2为实施例1以生长在碳纤维布上的P掺杂SiC纳米颗粒为柔性阴极的SEM图，表明P掺杂SiC颗粒均匀的附着在碳纤维上，颗粒表面具有较多尖锐的棱边和棱角。

将实施例1的柔性阴极裁剪为五块0.4×0.4cm²大小的面积，将五块柔性阴极分别弯曲0、50、100、150和200次(弯曲半径为1.2cm)，然后将阴极呈平面型结构依次装入场发射测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图3所示：图3为柔性阴极在经过0、50、100、150和200次弯曲后的场发射电流密度-电场强度曲线，从图中可知，开启电场在不同弯曲状态下基本不变，曲线大致重合；不同弯曲次数后的开启电场的具体数值分别为1.03V/μm、1.05V/μm、1.06V/μm、1.01V/μm、1.05V/μm，开启电场的波动性仅为0.048％。表明经过不同弯曲次数后，柔性阴极的开启电场基本保持不变，具有稳定的机械和电学性能，以及高的电子发射稳定性。

将实施例1的柔性阴极裁剪为三块0.4×0.4cm²大小的面积，将三块柔性阴极分别弯曲成凹面型、平面型和凸面型结构(其中，凹面和凸面的弯曲半径均为1.2cm)，然后将阴极依次装入场发射测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对三种结构的柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图4所示：图4为柔性阴极在凹面型、平面型和凸面型状态下的场发射电流密度-电场强度曲线，从图中可知，开启电场在不同弯曲状态下基本不变，曲线大致重合；不同弯曲状态下的开启电场的具体数值分别为1.03V/μm、1.05V/μm、1.08V/μm，开启电场的波动性仅为0.047％。表明在不同的弯曲状态下，柔性阴极的开启电场较稳定，基本保持不变，具有稳定的电子发射特性。

将实施例1的柔性阴极裁剪为五块0.4×0.4cm²大小的面积，将五块柔性阴极分别弯曲成凹面型(弯曲半径分别为1.2和0.4cm)、平面型和凸面型(弯曲半径分别为1.2和0.4cm)结构，然后将阴极依次装入场发射测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对五种结构的柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图5所示：图5为在发射电流密度保持在2650mA/cm²条件下，五种状态的柔性阴极均连续测量4小时，表明各个弯曲状态下的发射电流密度曲线的波动仅分别为±3.0，±2.6，±2.5，±2.1和±2.8％，且没有出现衰减的迹象，证明不同弯曲状使衬底产生的应力和发射点密度的变化对发射电流密度基本没有影响，柔性阴极在不同弯曲状态下均具有稳定的电子发射性能。

将实施例1的柔性阴极裁剪为0.4×0.4cm²大小的面积，然后将阴极呈平面型结构装入场发射测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后分别在室温、100℃、200℃、300℃和400℃的温度条件下对柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图6所示：图6为在发射电流密度保持在2650mA/cm²条件下，五种状态的柔性阴极均连续测量4小时，表明在不同温度状态下的发射电流密度曲线的波动性仅分别为±3.0，±2.7，±2.9，±3.0和±3.4％，且没有出现衰减的迹象，证明温度发射电流密度基本没有影响，

柔性阴极在不同温度状态下均具有稳定的电子发射性能。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例及其替换方案中，柔性阴极还可以为生长在碳纤维布上的N掺杂SiC纳米颗粒、生长在碳纤维布上的SiC纳米颗粒。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例及其替换方案中，柔性P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量还可以为0.21at％、0.22at％、0.23at％、0.24at％、0.25at％、0.26at％、0.27at％、0.28at％、0.29at％、0.3at％。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例及其替换方案中，柔性N掺杂SiC纳米材料中N的掺杂量可以为2.38at％、2.4at％、2.5at％、2.6at％、2.7at％、2.8at％、2.9at％、3at％、3.1at％、3.2at％、3.3at％、3.4at％、3.5at％、3.6at％、3.7at％、3.8at％、3.9at％、4at％、4.1at％、4.2at％、4.3at％、4.4at％、4.5at％、4.6at％、4.7at％、4.8at％、4.9at％、5at％、5.1at％、5.2at％、5.3at％、5.4at％、5.5at％、5.6at％、5.7at％、5.8at％、5.9at％、6at％、6.1at％、6.2at％、6.3at％、6.4at％、6.5at％、6.6at％、6.7at％、6.8at％、6.9at％、7.0at％、7.1at％、7.2at％、7.3at％、7.32at％。

鉴于本发明实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims

1.柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用，其特征在于，所述柔性纳米材料为场发射柔性阴极，所述柔性阴极的发射电流密度波动性为±2-4％，开启电场波动性＜±0.05％；

其中，所述柔性纳米材料包括柔性SiC纳米材料或柔性原子掺杂SiC纳米材料；所述柔性原子掺杂SiC纳米材料包括P的掺杂量为0.2-0.3at％的柔性P掺杂SiC纳米材料或N的掺杂量为2.38-7.32at％的柔性N掺杂SiC纳米材料。

2.根据权利要求1所述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用，其特征在于，所述柔性纳米材料形成于柔性衬底上。

3.根据权利要求2所述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用，其特征在于，所述柔性衬底为碳纤维布。

4.根据权利要求1所述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用，其特征在于，所述柔性纳米材料为颗粒状。