CN105513921A - 碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用 - Google Patents

碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用。本发明碳纳米场发射阴极包括导电基板、形成于所述导电基板表面的碳纳米管层和形成于所述碳纳米管层外表面的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。本发明碳纳米场发射阴极制备方法包括在导电基板表面形成碳纳米管层的步骤和在碳纳米管层表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层的步骤。本发明碳纳米场发射阴极具有大量有效的发射尖端，其场发射电压低，电流大，且发射性能稳定，其制备方法保证了碳纳米场发射阴极的性能稳定，降低了其生产成本。

Description

碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于场发射技术领域，具体的说是涉及一种碳纳米场发射阴极及其制备方法和应用。
背景技术
电子发射源是微波管、X射线管、电子推进及电荷控制器件等真空电子器件的核心部件，在通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域有重要应用。场致电子发射原理是通过外部强电场来压抑发射表面势垒，使势垒的高度降低，宽度变窄，使得物体内部自由电子通过隧道效应进入真空。场发射阴极不需外加能量，能够实现瞬时启动，理论上可以达到很高的电流密度，是一种很具发展潜力的阴极。
用场发射阴极作为电子源的真空电子器件，既可以实现抗辐射、耐高温、高速度、高频率和大功率，同时又能实现小体积、高效率、集成化和低成本，是性能十分理想的新型电子器件。
场发射阵列阴极自从发明以来，尝试了很多材料。近年来，碳纳米管作为一种新型的碳纳米材料，具有巨大的长径比，优异的导电和导热性能，非常稳定的机械化学特性，是一种最有前途的电子场发射材料，其纳米级尖端上的电子可以在很低的电场作用下发生隧穿效应，形成极大的电流。相比传统热阴极，碳纳米管阴极具有室温工作、快速响应、易于实现微型化等优势，应用于真空电子器件可以优化结构，获得优异的功率和频率特性。
目前，碳纳米管阴极可以采用化学气相沉积制备。它是将含碳气体(如甲烷，乙烯，乙炔等)和还原性气体(如氢气)通入高温炉内，含碳气体发生热解，生成的碳原子在催化剂作用下形成碳纳米管。具体如国内专利CN102386042A、CN101236872A等中形成碳纳米管方法。
电泳沉积法是另一种常用的方法，它是将碳纳米管、分散剂、电荷添加剂等均匀分散于水或有机溶剂中，然后，碳纳米管在电场作用下向阳极或者阴极移动，并沉积到衬底上。具体如国内专利CN102347180A、CN103346051A和CN103545158A等中形成碳纳米管方法。
当前还公开了采用丝网印刷方法来形成碳纳米管层如国内专利CN103258695A和直接采用浸渍法形成碳纳米管层如CN104538269A。
在这些现有公开的形成碳纳米管层的方法中，其通过控制相应的工艺以实现对碳纳米管的长度和形貌、与基体附着力等控制或者通过对碳纳米管层的掺杂或者改性处理以提高碳纳米管的发射性能。然而，这些方法制备的碳纳米管随机取向依然较大，从而使得碳纳米管阴极虽然比传统腐蚀方法得到的单针尖场发射体场发射性能有明显的提高，但是依然存在有效发射尖端少，导致发射电流小，且电流在长期的发射过程中迅速衰减导致其发射稳定性较差，还无法满足高性能器件应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种碳纳米场发射阴极及其制备方法和其应用，以克服现有碳纳米场发射阴极存在有效发射尖端少，导致发射电流小，发射稳定性较差，使其应用受到限制的技术问题。
为了实现上述发明目的，作为本发明的一方面，提供了一种碳纳米场发射阴极，包括导电基板、形成于所述导电基板表面的碳纳米管层，在所述碳纳米管层外表面还形成有二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
作为本发明的另一方面，提供了一种碳纳米场发射阴极的制备方法，包括如下步骤：
在导电基板表面形成碳纳米管层；
将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片分散于有机溶剂中，形成分散液，然后将所述分散液在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
作为本发明的又一方面，本发明还提供了本发明碳纳米场发射阴极的应用范围，其能够在微波器件、摄像和显示器件、传感器件、质谱分析用场离子源、真空场效应晶体管及真空集成电路、新型发光光源、真空高压开关、X射线管、太赫兹器件中的应用。
与现有技术相比，本发明碳纳米场发射阴极在碳纳米管层表面另形成二硫化钼/二硫化钨纳米片层，使得二硫化钼/二硫化钨纳米片层中的二硫化钼/二硫化钨纳米片材料通过原子间的相互作用，附着于碳纳米管的表面，一方面，改变了碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，从而降低了碳纳米管的开启电场；另一方面，增加了大量有效的发射尖端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性。
本发明碳纳米场发射阴极制备方法通过将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片先配制成分散液，然后在碳纳米管层表面形成层结构，使得二硫化钼和/或二硫化钨纳米片能够与碳纳米管的表面修饰，改变了碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，从而降低了碳纳米管的开启电场；同时增加了大量有效的发射尖端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性，从而使得碳纳米管层具有优异的场发射性能。另一方面，本发明方法工艺简单易操作，保证了碳纳米场发射阴极的性能稳定，降低了其生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例碳纳米场发射阴极结构示意图；
图2为本发明实施例碳纳米场发射阴极制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种有效发射尖端多，发射稳定性高的碳纳米场发射阴极。所述碳纳米场发射阴极的结构如图1所示，其包括导电基板1、形成于所述导电基板1表面的碳纳米管层2和形成于所述碳纳米管层2外表面的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3。
其中，上述导电基板1可以是铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、金、铂等金属基板，或者是镀覆铁、钛、镍、钴、铬、铜、钨、钼、金、铂等金属导电涂层的绝缘基板。绝缘基板可以是玻璃、陶瓷、硅片等。金属涂层可以采用磁控溅射、电子束蒸发，气相沉积法或化学镀法中的至少一种进行镀覆。
上述碳纳米管层2形成于所述导电基板1表面的方法可以是采用本领域常规的如丝印印刷、气相沉积、电泳沉积法或者直接浸渍等方式形成。但是应当理解的是，不管是如何形成于导电基板1表面，应当是形成的碳纳米管层2与导电基板1结合牢固，碳纳米管形貌和尺寸有利于提高其场发射性能。因此，在一实施例中，碳纳米管层中的碳纳米管直径为1-20nm，长度可以是1-100μm。在一具体实施例中，所述碳纳米管直径为1-20nm，长度为10-100μm；在另一实施例中，所述碳纳米管长度为1-20μm，直径为10-20nm。
在进一步实施例中，所述碳纳米管可以是单壁碳纳米管、经过修饰的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、经过修饰的多壁碳纳米管中的至少一种。其中，经过修饰的单壁碳纳米管和经过修饰的多壁碳纳米管的修饰方式可以是本领域中已知的方法。
通过对上述碳纳米管层2中的碳纳米管的尺寸、形貌以及种类进行选用，以提高碳纳米管层2的场发射性能。
上述二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3的设置，其结合在上述碳纳米管层2的表面，对碳纳米管层2进行改性修饰，其一方面能够改变碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，从而降低了碳纳米管的开启电场；另一方面，增加了大量有效的发射尖端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性。
由于碳纳米管层2中碳纳米管特定结构和形貌，因此，结合在碳纳米管层2表面的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3中的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片是以分散纳米片的状态分布于碳纳米管壁的外表面，也即是二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3是形成于碳纳米管壁的外表面。在优选实施例中，二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3是包覆每根碳纳米管壁整个表面。
在一实施例中，所述二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3中的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料的厚度为1-4nm，横向尺寸为50-300nm。通过对二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料尺寸的控制和优化，进一步发挥二硫化钼和/或二硫化钨纳米片对碳纳米管层2的改性修饰作用，提高本发明实施例碳纳米场发射阴极的场发射性能。
由上述可知，本发明实施例碳纳米场发射阴极采用二硫化钼和/或二硫化钨纳米片对碳纳米管层2中碳纳米管进行改性修饰，从而改变了碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，增加了大量有效的发射尖端，显著提高了本发明实施例碳纳米场发射阴极的场发射性能。
另一方面，在上文所述的本发明实施例碳纳米场发射阴极的基础上，本发明实施例还提供了本发明实施例碳纳米场发射阴极的一种制备方法。本发明实施例碳纳米场发射阴极的制备方法如图2所以示，同时参见图1，其制备方法包括如下步骤：
S01.在导电基板1表面形成碳纳米管层2；
S02.在碳纳米管层2表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3：将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片分散于有机溶剂中，形成分散液，然后将所述分散液在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层3。
具体地，上述S01步骤中，导电衬底1的结构、材料及规格等如上文所述的本发明实施例碳纳米场发射阴极中的导电衬底1，为了篇幅，在此不再赘述。
在一实施例中，在导电衬底1表面形成碳纳米管层2之前，优选的还包括对导电衬底1表面进行清洗的预处理，以除去粘附在导电衬底1表面的杂质或者氧化物等，以保证碳纳米管层2具有优异的尺寸和形貌，并能有效增强碳纳米管层2与导电衬底1之间的结合强度。在具体实施例中，对导电衬底1表面进行清洗的预处理可以是本领域常规的预处理手段。
在一实施例中，在导电基板1表面形成碳纳米管层2的方法为如下电泳法：
步骤S011：将碳纳米管与电荷添加剂加入有机溶剂中，进行分散处理，获得碳纳米管电泳溶液；
步骤S012：以所述导电基板1作为阴极，另设的一导电基板作为阳极，并将所述阴极和所述阳极置于所述碳纳米管电泳溶液中，在直流电压的作用下，在所述阴极上沉积碳纳米管，得到碳纳米管层2。
其中，在步骤S011中的配制碳纳米管电泳溶液中，作为本发明的一实施例中，所述电荷添加剂的添加量是碳纳米管的20-50wt％。
在另一实施例中，所述碳纳米管直径为1-20nm，长度为10-100μm，优选的为10-20μm。
在另一实施例中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、经过修饰的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、经过修饰、多壁碳纳米管中的至少一种。
在另一实施例中，所述电荷添加剂为Mg(NO3)2、MgCl2、MgSO4、Al(NO3)3、AlCl3、NiCl2中的至少一种的可溶性金属无机盐；和/或
在另一实施例中，所述有机溶剂选用乙醇、丙醇、异丙醇、二甲基甲酰胺、丙酮中的至少一种。
在另一实施例中，上述碳纳米管可以选用碳纳米管溶液来提供，具体地，碳纳米管溶液浓度可以是0.01-1mg/ml，优选范围为0.05-0.2mg/ml。
在优选实施例中，在配制碳纳米管电泳溶液的步骤中，分散处理是在用超声分散处理，超声处理的时间应该足够使得碳纳米管与电荷添加剂能够均匀分散于有机溶剂中，具体地如1～3小时。
上述优选选用的碳纳米管、电荷添加剂和有机溶剂均是为了能够配制具有良好电泳性能的碳纳米管电泳溶液，从而能够有利于上述步骤S02中进行电泳沉积，并改善生长的碳纳米管的尺寸和形貌，从而提高最终碳纳米场发射阴极的场发射性能。
在步骤S012中，在一实施例中，在电泳过程中，所述直流电压为100-200V，在所述阴极上沉积所述碳纳米管的时间为1-10min。
在另一实施例中，在导电基板1表面形成碳纳米管层2的方法为如下化学气相沉积法：
将涂覆催化剂金属的导电基板1置于惰性保护气氛的密闭环境中，将所述导电基板1及所述密闭环境的温度升温至600-800℃后，向所述密闭环境中通入有机碳氢化合物气体和氢气的混合气体，使得有机碳氢化合物气体在所述催化剂金属的催化下发生裂解反应并于所述导电基板表面生长碳纳米管。
其中，密闭环境的可以是CVD炉内所提供的密闭环境。惰性保护气氛是指在裂解反应中不参与反应的惰性的气体，如氩气等。
在一实施例中上述化学气相沉积法中的所述催化剂金属选用是Ni、Co、Fe中的至少一种。在具体实施例中，催化剂金属可以采用磁控溅射方法形成于导电基板1表面，如在溅射功率150W，时间1-10min磁控溅射条件下形成于导电基板1表面。
在另一实施例中，所述密闭环境的压强为10-30KPa。
在另一实施例中，有机碳氢化合物为甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种。
在另一实施例中，所述氢气和所述有机碳氢化合物气体流量比为2.5-10，于所述导电基板表面生长所述碳纳米管的生长时间为5-30min。
在另一实施例中，生长的所述碳纳米管长度为1-20μm，直径为10-20nm。
通过对上述电泳条件和化学气相沉积法条件的控制和调节，实现对负极表面生长的碳纳米管的尺寸和形貌的控制和优化，提供最终碳纳米场发射阴极的场发射性能。
上述步骤S02中，在分散液中，二硫化钼和/或二硫化钨纳米片的重量百分浓度为0.01-0.05mg/ml。在另一实施例中，有机溶剂可以选用但不仅仅为乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮中的至少一种。
在另一实施例中，上述二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料的厚度为1-4nm，横向尺寸为50-300nm。在具体实施例中，该二硫化钼/二硫化钨纳米片可以通过机械剥离二硫化钼/二硫化钨晶体的方法获得，可以是单层或多层。
在另一实施例中，所述分散液是采用旋涂、喷涂、浸渍或电泳的方法在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
通过对上述步骤S03中的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料尺寸、分散液的浓度和对分散液的涂覆方式控制和优化，使得二硫化钼和/或二硫化钨纳米片能够有效结合碳纳米管层2中的碳纳米管表面，从而使得二硫化钼、二硫化钨纳米片与碳纳米管通过原子间的相互作用，从而发挥二硫化钨纳米片层的如上述作用：对碳纳米管层2进行改性修饰，其一方面能够改变碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，从而降低了碳纳米管的开启电场；另一方面，增加了大量有效的发射尖端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性。
因此，本发明实施例碳纳米场发射阴极制备方法将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片先配制成分散液，然后在碳纳米管层表面形成层结构，使得二硫化钼和/或二硫化钨纳米片能够与碳纳米管的表面修饰，从而保证了制备的碳纳米场发射阴极具有优异的场发射性能。同时简化了碳纳米场发射阴极的制备工艺，保证了碳纳米场发射阴极的性能稳定，降低了其生产成本。
正是由于本发明实施例碳纳米场发射阴极具有上述优异和稳定的场发射性能，使其能够有效被用于微波器件，摄像和显示器件，传感器件，质谱分析用场离子源，真空场效应晶体管及真空集成电路，新型发光光源，真空高压开关，X射线管，太赫兹器件等器件中。
以下通过具体实施例来举例说明上述碳纳米场发射阴极及其制备方法等方面。
实施例1
本发明实施例提供了一种碳纳米场发射阴极及其制备方法，其包括依次层叠结合的导电衬底1/碳纳米管层2/二硫化钼纳米片层3。其中，导电衬底1材料为铜片；碳纳米管层2中的碳纳米管为多壁碳纳米管，且直径为2-8nm，长度可以是10-15μm；二硫化钼纳米片厚度为1nm，横向尺寸为100-300nm，
其制备方法如下：
S11.提供导电基板：铜片
S12.采用电泳沉积方法制备碳纳米管薄膜2：
S121.将碳纳米管与可溶性金属无机盐MgCl2加入乙醇中，超声分散1～3小时，获得均匀稳定的碳纳米管电泳溶液，碳纳米管溶液浓度为0.1mg/ml；所述MgCl2的添加量是碳纳米管的35wt％；
S122.以导电基板1作为阴极，另一导电基板作为阳极，放入步中骤S121碳纳米管电泳液中，在直流电压的作用下，带正电荷的碳纳米管向阴极方向移动，沉积在导电基板上，得到碳纳米管薄膜。所述沉积过程的条件为：电压150V，时间为5min；
S13.在碳纳米管薄膜2表面沉积二硫化钼纳米片层3：
将二硫化钼纳米片超声分散于乙醇溶剂中，获得均匀分散液，然后通过喷涂的方法，在碳纳米管层2表面均匀沉积形成二硫化钼纳米片层3，烘干后，形成复合的场发射阴极结构。
实施例2
本发明实施例提供了一种碳纳米场发射阴极及其制备方法，其包括依次层叠结合的导电衬底1/碳纳米管层2/二硫化钨纳米片层3。其中，导电衬底1材料为不锈钢片；碳纳米管层2中的碳纳米管为单壁碳纳米管，且直径为1-2nm，长度可以是10-20μm；二硫化钨纳米片厚度为2-4nm，横向尺寸为100-300nm。
其制备方法如下：
S21.提供导电基板：硅片
S22.采用电泳沉积方法制备碳纳米管薄膜2：
S221.将碳纳米管与可溶性金属无机盐Al(NO3)2加入乙醇中，超声分散1～3小时，获得均匀稳定的碳纳米管电泳溶液，碳纳米管溶液浓度为1mg/ml；所述Al(NO3)2的添加量是碳纳米管的20wt％；
S222.以导电基板1作为阴极，另一导电基板作为阳极，放入步中骤S121碳纳米管电泳液中，在直流电压的作用下，带正电荷的碳纳米管向阴极方向移动，沉积在导电基板上，得到碳纳米管薄膜。所述沉积过程的条件为：电压100V，时间为1min；
S23.在碳纳米管薄膜2表面沉积二硫化钨纳米片层3：
将二硫化钨纳米片超声分散于乙醇溶剂中，获得均匀分散液，然后通过喷涂的方法，在碳纳米管层2表面均匀沉积形成二硫化钨纳米片层3，烘干后，形成复合的场发射阴极结构。
实施例3
本发明实施例提供了一种碳纳米场发射阴极及其制备方法。其中，碳纳米场发射阴极结构如图1所示，其包括依次层叠结合的导电衬底1/碳纳米管层2/二硫化钼纳米片层3。其中，导电衬底1材料为ITO玻璃；碳纳米管层2中的碳纳米管为多壁碳纳米管，且直径为10-20nm，长度可以是10-20μm；二硫化钼纳米片厚度为1nm，横向尺寸为50-100nm。
其制备方法如下：
S31.提供导电基板：ITO玻璃
S32.采用电泳沉积方法制备碳纳米管薄膜2：
S321.将碳纳米管与可溶性金属无机盐Mg(NO3)2加入乙醇中，超声分散1～3小时，获得均匀稳定的碳纳米管电泳溶液，碳纳米管溶液浓度为0.01mg/ml；所述Mg(NO3)2的添加量是碳纳米管的50wt％；
S322.以导电基板1作为阴极，另一导电基板作为阳极，放入步中骤S121碳纳米管电泳液中，在直流电压的作用下，带正电荷的碳纳米管向阴极方向移动，沉积在导电基板上，得到碳纳米管薄膜。所述沉积过程的条件为：电压200V，时间为10min；
S33.在碳纳米管薄膜2表面沉积二硫化钼纳米片层3：
将二硫化钼纳米片超声分散于乙醇溶剂中，获得均匀分散液，然后通过旋涂的方法，在碳纳米管层2表面均匀沉积形成二硫化钼纳米片层3，烘干后，形成复合的场发射阴极结构。
对比实施例1
本对比实施例1提供了一种碳纳米场发射阴极，其结构和各层材料均与实施例1中提供的碳纳米场发射阴极相同，不同之处在于本对比实施例1提供的碳纳米场发射阴极不含有二硫化钼纳米片层结构。
碳纳米场发射阴极相关性能测试
将上述实施例1至实施例3以及对比实施例1提供的碳纳米场发射阴极分别进行如下场发射性能测试，测试结果如下述表1。
表1
由上述表1可知，上述实施例1-3中提供的碳纳米场发射阴极的开启电场Eto、阈值电场Ethr等性能明显优于对比实施例1，因此，说明了本发明实施例提供的碳纳米场发射阴极设置二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层对碳纳米管表面改性修饰后，其改变了碳纳米管的电子结构，减少了电子发射需要克服的势垒，从而降低了碳纳米管的开启电场；同时增加了大量有效的发射尖端，在显著提高阴极总发射电流的同时，减少了每根碳纳米管的发射电流，使得碳纳米管结构不易因过度发射而破坏，提高了发射稳定性，从而使得碳纳米管层具有优异的场发射性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种碳纳米场发射阴极，包括导电基板、形成于所述导电基板表面的碳纳米管层，其特征在于：在所述碳纳米管层外表面还形成有二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
2.根据权利要求1所述的碳纳米场发射阴极，其特征在于：所述碳纳米管层中的碳纳米管直径为1-20nm，长度可以是1-100μm。
3.根据权利要求2所述的碳纳米场发射阴极，其特征在于：所述碳纳米管为单壁碳纳米管、经过修饰的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、经过修饰的多壁碳纳米管中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一所述的碳纳米场发射阴极，其特征在于：所述二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层中的二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料的厚度为1-4nm，横向尺寸为50-300nm。
5.一种碳纳米场发射阴极的制备方法，包括如下步骤：
在导电基板表面形成碳纳米管层；
将二硫化钼和/或二硫化钨纳米片分散于有机溶剂中，形成分散液，然后将所述分散液在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述二硫化钼和/或二硫化钨纳米片材料的厚度为1-4nm，横向尺寸为50-300nm；和/或
所述分散液是采用旋涂、喷涂或浸渍的方法在所述碳纳米管层外表面形成二硫化钼和/或二硫化钨纳米片层。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：形成所述碳纳米管层的方法如下：
将碳纳米管与电荷添加剂加入有机溶剂中，进行分散处理，获得碳纳米管电泳溶液；其中，所述电荷添加剂的添加量是碳纳米管的20-50wt％；
以所述导电基板作为阴极，另设的一导电基板作为阳极，并将所述阴极和所述阳极置于所述碳纳米管电泳溶液中，在直流电压的作用下，在所述阴极上沉积碳纳米管，得到碳纳米管层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管直径为1-20nm，长度为10-100μm；和/或
所述碳纳米管为单壁碳纳米管、经过修饰的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、经过修饰、多壁碳纳米管中的至少一种；和/或
所述电荷添加剂为Mg(NO3)2、MgCl2、MgSO4、Al(NO3)3、AlCl3、NiCl2中的至少一种的可溶性金属无机盐；和/或
所述有机溶剂选用乙醇、丙醇、异丙醇、二甲基甲酰胺、丙酮中的至少一种；和/或
所述直流电压为100-200V，在所述阴极上沉积所述碳纳米管的时间为1-10min。
9.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：形成所述碳纳米管层的方法如下：
将涂覆催化剂金属的导电基板置于惰性保护气氛的密闭环境中，将所述导电基板及所述密闭环境的温度升温至600-800℃后，向所述密闭环境中通入有机碳氢化合物气体和氢气的混合气体，使得有机碳氢化合物气体在所述催化剂金属的催化下发生裂解反应并于所述导电基板表面生长碳纳米管。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂金属为是Ni、Co、Fe中的至少一种；和/或
所述密闭环境的压强为10-30KPa；和/或
所述有机碳氢化合物为甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种；和/或
所述氢气和所述有机碳氢化合物气体流量比为2.5-10，于所述导电基板表面生长所述碳纳米管的生长时间为5-30min；和/或
生长的所述碳纳米管长度为1-20μm，直径为10-20nm。
11.根据权利要求1-4任一所述的碳纳米场发射阴极或者由权利要求5-10任一所述的碳纳米场发射阴极在场发射显示器件、X射线管、太赫兹器件中的应用。
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