CN105513922B - 利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法。其特征在于该方法包括以下步骤：1）对金属基底表面的预处理，将金属基底放入无水乙醇或丙酮溶液，在超声池中进行超声洗清；2）在步骤1）处理好的金属基底表面以沉积方法沉积单壁碳纳米管薄膜；3）对步骤2）的金属基底表面沉积单壁碳纳米管薄膜施加激光纳米焊接，在激光能量与冲击波的共同作用下，单壁碳纳米管薄膜被压入熔融的金属基底表层，随着激光扫描后熔融金属的快速冷却，单壁碳纳米管薄膜嵌入金属基底表面形成纳米材料与金属基底的稳固连接，得到场发射性能增强的单壁碳纳米管薄膜。本发明适宜于利用激光纳米焊接来增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能中应用。

Description

利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法
技术领域
本发明涉及一种增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，特别是涉及一种利用激光纳米焊接来增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法。
背景技术
一维纳米材料具有独特的结构形态和优异的电子学特性，在制造纳电子器件方面具有非常重要的应用前景。自1991年日本科学家Iijima发现碳纳米管（CNTs）以来，由于其特殊的管状结构，良好的导电率，热稳定性，大的长径比和小的曲率半径，使其在场发射冷阴极领域内有杰出贡献，但存在的关键问题是单壁碳纳米管与金属基底之间不易形成可靠的电接触，接触阻抗过大。这一问题将导致以单壁碳纳米管为构筑模块制备的纳电子器件的突出性能得不到很好的体现，在很大程度上限制了纳电子器件的研制和实际应用。
近年来，涌现出多种CNTs发射阴极的制备方法，如直接生长法，丝网印刷法以及电泳沉积法等。但由于直接生长法存在实验环境不易控制，丝网印刷法存在有机物残留，电泳沉积法所获连接不可靠，限制了其在纳电子领域的进一步发展和应用。同时，为了改进上述方法，有学者提出了一种较为新颖的超声波纳米焊接方法，成功实现了CNTs与Ti基底之间的连接，其结果得到了改善，但超声纳米焊接存在着一定的不足，比如固定不变的一次焊接面积；焊头与纳米材料的直接接触导致焊区杂质的残留；由于压紧力的作用可能导致焊接过程中焊头与样件的相对滑动，这些问题都限制着超声波纳米焊接进一步在场发射冷阴极领域内的应用。
鉴于目前激光纳米焊接技术发展不甚成熟，性能不稳定，生产难以规模化等现状，深入开展实验研究激光纳米焊接工艺特点并确定最佳焊接工艺变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是要提供一种利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，它不但能克服现有技术的不足，而又利用激光纳米焊接技术使单壁碳纳米管与金属基底之间形成良好的机械和电学接触，来增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能。
为了达到上述的目的本发明是这样实现: 本发明的利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法包括以下步骤：
1）对金属基底表面的预处理，将金属基底放入无水乙醇或丙酮溶液，在超声池中进行超声洗清；
2）在步骤1）处理好的金属基底表面以沉积方法沉积单壁碳纳米管薄膜；
3）对步骤2）的金属基底表面沉积单壁碳纳米管薄膜施加激光纳米焊接，在激光能量与冲击波的共同作用下，单壁碳纳米管薄膜被压入熔融的金属基底表层，随着激光扫描后熔融金属的快速冷却，单壁碳纳米管薄膜嵌入金属基底表面形成纳米材料与金属基底的稳固连接，得到场发射性能增强的单壁碳纳米管薄膜。
所述金属基底为Al，Ni，Ti或Cu中的任意一种。
所述超声的时间为10～15min。
所述沉积的方法为电泳沉积法或旋转涂覆法。
所述激光纳米焊接为：使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重复频率为100kHz，激光的功率为50～115mW，激光的扫描速度为20～200mm/min，负离焦为0.03～0.08mm，光斑重叠率为30～50%。
本发明的利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法的特点主要为当激光辐射到金属表面时，光子将与金属晶体中的公有化电子发生非弹性碰撞，并被电子吸收。吸收光子后的电子上升到高能态，增强了晶格的热震荡，从而使金属表面原子升温、软化，进而产生微熔；同时激光的冲击波将单壁碳纳米管压入熔融的金属表层，随着激光扫描后熔融金属的快速冷却，单壁碳纳米管嵌入金属表面形成纳米材料与金属基底的稳固连接。并且激光纳米焊接处理后的焊区性能同其它复杂的物理、化学吸附方法相比，具有接触阻抗小、稳定性高、机械性能强等优点。与超声纳米焊接相比，在不改变焊头的前提下，激光纳米焊接可以自由控制焊接面积的大小；而且在焊接过程中，由于焊头与样件不接触，保证了焊接区域的洁净及避免了样件在焊接过程中产生偏移，保证焊接的质量。焊接后的单壁碳纳米管场发射阴极具有低的开启电压，高的发射电流密度和良好的稳定性。
附图说明
图1为本发明的铝基单壁碳纳米管薄膜焊接前后的场发射曲线的示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法作进一步的详细描述。
实施例1
该方法包括以下步骤：
1）对金属基底表面的预处理，将金属基底放入无水乙醇或丙酮溶液，所述金属基底为Al，Ni，Ti或Cu中的任意一种，在超声池中进行超声洗清，所述超声的时间为10～15min；
2）在步骤1）处理好的金属基底表面以沉积方法沉积单壁碳纳米管薄膜，所述沉积的方法为电泳沉积法或旋转涂覆法；
3）对步骤2）的金属基底表面沉积单壁碳纳米管薄膜施加激光纳米焊接，在激光能量与冲击波的共同作用下，单壁碳纳米管薄膜被压入熔融的金属基底表层，随着激光扫描后熔融金属的快速冷却，单壁碳纳米管薄膜嵌入金属基底表面形成纳米材料与金属基底的稳固连接，得到场发射性能增强的单壁碳纳米管薄膜，所述激光纳米焊接为：使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重复频率为100kHz，激光的功率为50～115mW，激光的扫描速度为20～200mm/min，负离焦为0.03～0.08mm，光斑重叠率为30～50%。
实施例2
该方法包括以下步骤：
1）对铝基底表面进行预处理，将铝基底放入无水乙醇溶液中，在超声池中超声清洗10min；
2）利用电泳沉积的方法在铝表面沉积单壁碳纳米管薄膜，将2mg单壁碳纳米管及2mg Mg(NO3)26H2O加入到100ml异丙醇溶液中制得电泳液，电泳条件，不锈钢板作为阳极，铝作为阴极，两电极间距2cm，电泳电压30V，电泳时间10min；
3）对沉积有单壁碳纳米管薄膜的样件进行激光纳米焊接，使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重复频率为100kHz，激光的功率为50mW，激光的扫描速度为100mm/min，负离焦为0.08mm，光斑重叠率为37.5%。
实施例3
该方法包括以下步骤：
1）对镍基底表面进行预处理，将镍基底放入丙酮溶液中，在超声池中超声清洗15min；
2）利用电泳沉积的方法在镍表面沉积单壁碳纳米管薄膜，将2mg单壁碳纳米管及2mg Mg(NO3)26H2O加入到100ml异丙醇溶液中制得电泳液，电泳条件，不锈钢板作为阳极，镍作为阴极，两电极间距2cm，电泳电压30V，电泳时间8min；
3）对沉积有单壁碳纳米管薄膜的样件进行激光纳米焊接，使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重
复频率为100kHz，激光的功率为115mW，激光的扫描速度为100mm/min，负离焦为0.05mm，光斑重叠率为37.5%。
实施例4
该方法包括以下步骤：
1）对钛基底表面进行预处理，将钛基底放入丙酮溶液中，在超声池中超声清洗15min；
2）利用电泳沉积的方法在钛表面沉积单壁碳纳米管薄膜，将2mg单壁碳纳米管及2mg Mg(NO3)26H2O加入到100ml异丙醇溶液中制得电泳液，电泳条件，不锈钢板作为阳极，钛作为阴极，两电极间距2cm，电泳电压20V，电泳时间15min；
3）对沉积有单壁碳纳米管薄膜的样件进行激光纳米焊接，使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重复频率为100kHz，激光的功率为108mW，激光的扫描速度为100mm/min，负离焦为0.03mm，光斑重叠率为37.5%。

Claims (5)

1.一种利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）对金属基底表面的预处理，将金属基底放入无水乙醇或丙酮溶液，在超声池中进行超声洗清；
2）在步骤1）处理好的金属基底表面以沉积方法沉积单壁碳纳米管薄膜；
3）对步骤2）的金属基底表面沉积单壁碳纳米管薄膜施加激光纳米焊接，在激光能量与冲击波的共同作用下，单壁碳纳米管薄膜被压入熔融的金属基底表层，随着激光扫描后熔融金属的快速冷却，单壁碳纳米管薄膜嵌入金属基底表面与金属基底的稳固连接，得到场发射性能增强的单壁碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，其特征在于所述金属基底为Al，Ni，Ti或Cu中的任意一种。
3.根据权利要求1所述利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，其特征在于所述超声的时间为10～15min。
4.根据权利要求1所述利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，其特征在于所述沉积的方法为电泳沉积法或旋转涂覆法。
5.根据权利要求1所述利用激光纳米焊接增强单壁碳纳米管薄膜场发射性能方法，其特征在于所述激光纳米焊接为：使用皮秒脉冲CO2激光器，激光的光束直径为8μm，激光的波长为1064nm，激光的重复频率为100kHz，激光的功率为50～115mW，激光的扫描速度为20～200mm/min，负离焦为0.03～0.08mm，光斑重叠率为30～50%。
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